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研究發現谷氨酸能神經元對睡眠穩態調節的重要作用

2020-09-04 腦科學與智能技術卓越創新中心
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  9月4日,《科學》雜志發表題為Regulation of sleep homeostasis mediator adenosine by basal forebrain glutamatergic neurons的研究論文。該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室研究員徐敏研究組與北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯合中心、北京大學麥戈文腦科學研究所研究員李毓龍研究組合作完成,利用新型遺傳編碼的腺苷探針,發現基底前腦區的谷氨酸能神經元對睡眠壓力的積累起著重要調控作用,并進一步揭示睡眠穩態調控的神經環路機制,為探索睡眠障礙的治療方法提供了參考。

  睡眠是動物界普遍存在的現象,人類大約有三分之一的時間用于睡眠,但當前研究仍不清楚睡眠是如何被調節的。經典的睡眠調控模型認為,睡眠的調節分為晝夜節律和睡眠穩態兩個方面。晝夜節律通過內在的生物鐘控制一天中睡眠覺醒的時間;睡眠穩態主要由睡眠壓力進行調控,控制機體獲得一定的睡眠量。隨著清醒時間的延長,睡眠壓力逐漸增加;隨著睡眠的進行,睡眠壓力被逐漸清除。睡眠穩態調節系統會在睡眠受到干擾時發揮作用,例如熬夜之后睡得更“香”、時間更長。目前,主流理論認為,腺苷參與到睡眠穩態調節過程中,其在清醒狀態下的積累導致了“困意”的產生,而咖啡的主要成分咖啡因可以通過阻斷腺苷與其受體的結合而達到促進清醒的效果。基底前腦被認為是腺苷參與睡眠穩態調控的重要腦區,環路層面的研究表明,該區域的局部神經環路參與到對睡眠覺醒的調控中。然而,神經元活動調控腺苷釋放的機制目前還不清楚,限制了對睡眠覺醒調控機制的深入解析。

  為實現在睡眠覺醒周期中對基底前腦區胞外腺苷濃度高時空分辨率的檢測,李毓龍研究組開發了一種新型的遺傳編碼的腺苷探針,該探針可以將胞外腺苷濃度的變化轉化為探針熒光強度的快速變化。

  利用該腺苷探針,徐敏研究組發現,基底前腦區的腺苷濃度在清醒狀態時較高、在非快速眼動睡眠時較低,這與之前采用微透析法測量腺苷濃度變化的研究結果相一致。然而,小鼠的快速眼動睡眠時長較短,傳統的微透析方法無法對快速眼動睡眠時期的腺苷濃度進行精確測量。得益于該探針的高時間分辨率,徐敏研究組首次發現,腺苷在快速眼動睡眠時期也存在很高的濃度,且高于清醒和非快速眼動睡眠狀態。此外,研究還觀察到,腺苷濃度在睡眠時相轉變時存在快速變化,提示其與神經元的活動密切相關。

  為進一步探究腺苷濃度增加與神經元活動的關系,徐敏研究組探究了基底前腦區兩類神經元,即乙酰膽堿能神經元和谷氨酸能神經元與腺苷濃度變化的相關性和因果性。結果表明,這兩類神經元的鈣活動與胞外腺苷濃度高度相關,且神經活動總是提前于腺苷釋放。光遺傳激活這兩類神經元能引起胞外腺苷濃度不同程度的增加,而谷氨酸能神經元的激活是腺苷濃度增加的主要原因。進一步,研究人員特異性損毀基底前腦區的谷氨酸能神經元,結果表明,胞外腺苷濃度的增加顯著低于對照組小鼠。以上試驗表明,谷氨酸能神經元的活動參與調控胞外腺苷積累過程。

  已有研究表明,基底前腦區腺苷積累受損會導致睡眠穩態調節異常。基于以上實驗結果,徐敏研究組猜測基底前腦區谷氨酸能神經元的缺失可能會影響睡眠穩態,并開展相關研究表明,基底前腦區谷氨酸能神經元缺失的小鼠睡眠壓力顯著降低(清醒時長顯著增加),且睡眠穩態也發生改變——睡眠剝奪后睡眠時長的增加顯著低于對照組小鼠,且睡眠壓力的清除速率顯著快于對照組小鼠。以上實驗表明,基底前腦區的谷氨酸能神經元對睡眠壓力的積累起到重要調控作用。

  研究結果揭示了基底前腦區域的谷氨酸能神經元在介導清醒狀態下睡眠壓力的積累中所扮演的重要角色,有助于進一步研究睡眠穩態調節機制。研究由博士研究生彭婉玲、宋鹍在徐敏指導下完成,合作者為李毓龍、北京大學博士武照伐和上海交通大學醫學院研究員張思宇,得到中科院、科技部、國家自然科學基金委、上海市科委、北京市科委、廣東省科委的資助。

  腺苷快速釋放和睡眠穩態的神經調控。A:使用GCaMP和GRABAdo同時記錄神經活動和腺苷釋放,揭示睡眠-覺醒周期中小鼠基底前腦區神經活動依賴的快速腺苷釋放;B:光遺傳學激活基底前腦區谷氨酸能神經元引起細胞外腺苷的大幅度增加;C:特異損傷基底前腦區谷氨酸能神經元可降低胞外腺苷水平,并明顯增加小鼠的清醒時間。

打印 責任編輯:程博

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