中科院揭示睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)控的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制,，失眠或?qū)⒂行碌闹委煼椒?/h2>

2020-09-04 12:39:56 sunmedia 2685

2020年9月4日，《Science》雜志發(fā)表了題為《Regulation of sleep homeostasis mediator adenosine by basal forebrain glutamatergic neurons》的研究論文,，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類腦研究中心,、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐敏研究組與北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京大學(xué)麥戈文腦科學(xué)研究所李毓龍研究組合作完成,。該項(xiàng)研究利用新型遺傳編碼的腺苷探針,，發(fā)現(xiàn)基底前腦區(qū)的谷氨酸能神經(jīng)元對于睡眠壓力的積累起著重要的調(diào)控作用，進(jìn)一步揭示了睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)控的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制,，為探索睡眠障礙的治療方法提供了重要參考,。

睡眠是動物界普遍存在的現(xiàn)象，人類大約有三分之一的時(shí)間用于睡眠,。然而睡眠是如何被調(diào)節(jié)的目前尚不清楚,。經(jīng)典的睡眠調(diào)控模型認(rèn)為,，睡眠的調(diào)節(jié)分為兩個方面，晝夜節(jié)律和睡眠穩(wěn)態(tài),。晝夜節(jié)律通過內(nèi)在的生物鐘控制一天中睡眠覺醒的時(shí)間,；睡眠穩(wěn)態(tài)主要由睡眠壓力進(jìn)行調(diào)控，控制機(jī)體獲得一定的睡眠量,。隨著清醒時(shí)間的延長,，睡眠壓力逐漸增加；隨著睡眠的進(jìn)行,，睡眠壓力被逐漸清除,。睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)會在睡眠受到干擾時(shí)發(fā)揮作用，例如：熬夜之后睡得更“香”并且時(shí)間更長,。目前,，主流理論認(rèn)為“腺苷”參與到睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過程中，其在清醒狀態(tài)下的積累導(dǎo)致了“困意”的產(chǎn)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(jié)合而達(dá)到促進(jìn)清醒的效果,。基底前腦被認(rèn)為是腺苷參與睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)控的重要腦區(qū),，環(huán)路層面的研究表明,，該區(qū)域的局部神經(jīng)環(huán)路參與到對睡眠覺醒的調(diào)控中，然而神經(jīng)元活動調(diào)控腺苷釋放的機(jī)制目前還不清楚,。這限制了人們對睡眠覺醒調(diào)控機(jī)制的深入解析,。

為了實(shí)現(xiàn)在睡眠覺醒周期中對基底前腦區(qū)胞外腺苷濃度高時(shí)空分辨率的檢測，李毓龍研究組開發(fā)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(zhuǎn)化為探針熒光強(qiáng)度的快速變化,。

利用該腺苷探針，徐敏研究組發(fā)現(xiàn)基底前腦區(qū)的腺苷濃度在清醒狀態(tài)時(shí)較高,，在非快速眼動睡眠時(shí)較低,，這與之前采用微透析法測量腺苷濃度變化的研究結(jié)果相一致。然而,，小鼠的快速眼動睡眠時(shí)長較短,，傳統(tǒng)的微透析方法無法對快速眼動睡眠時(shí)期的腺苷濃度進(jìn)行精確測量。得益于該探針的高時(shí)間分辨率,，徐敏研究組首次發(fā)現(xiàn),，腺苷在快速眼動睡眠時(shí)期也存在很高的濃度，并且高于清醒和非快速眼動睡眠狀態(tài),。不僅如此,，研究者觀察到,，腺苷濃度在睡眠時(shí)相轉(zhuǎn)變時(shí)存在快速的變化,，提示其與神經(jīng)元的活動密切相關(guān),。

為了進(jìn)一步探究腺苷濃度增加與神經(jīng)元活動的關(guān)系，徐敏研究組探究了基底前腦區(qū)兩類神經(jīng)元：乙酰膽堿能神經(jīng)元和谷氨酸能神經(jīng)元與腺苷濃度變化的相關(guān)性和因果性,。結(jié)果表明這兩類神經(jīng)元的鈣活動與胞外腺苷濃度高度相關(guān),，并且神經(jīng)活動總是提前于腺苷釋放。光遺傳激活這兩類神經(jīng)元能引起胞外腺苷濃度不同程度的增加,，而谷氨酸能神經(jīng)元的激活是腺苷濃度增加的主要原因,。進(jìn)一步，研究人員特異性損毀基底前腦區(qū)的谷氨酸能神經(jīng)元,，結(jié)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(yàn)表明,，谷氨酸能神經(jīng)元的活動參與調(diào)控胞外腺苷積累過程,。

圖注：腺苷快速釋放和睡眠穩(wěn)態(tài)的神經(jīng)調(diào)控。（A）使用GCaMP和GRABAdo同時(shí)記錄神經(jīng)活動和腺苷釋放,，揭示了睡眠-覺醒周期中小鼠基底前腦區(qū)神經(jīng)活動依賴的快速腺苷釋放,。（B）光遺傳學(xué)激活基底前腦區(qū)谷氨酸能神經(jīng)元引起細(xì)胞外腺苷的大幅度增加。（C）特異損傷基底前腦區(qū)谷氨酸能神經(jīng)元可降低胞外腺苷水平,，并明顯增加小鼠的清醒時(shí)間,。

前人的研究表明，基底前腦區(qū)腺苷積累受損會導(dǎo)致睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)異常,，基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果,，徐敏研究組猜測，基底前腦區(qū)谷氨酸能神經(jīng)元的缺失可能會影響睡眠穩(wěn)態(tài),。結(jié)果表明：基底前腦區(qū)谷氨酸能神經(jīng)元缺失的小鼠睡眠壓力顯著降低（清醒時(shí)長顯著增加）,，并且睡眠穩(wěn)態(tài)也發(fā)生了改變——睡眠剝奪后睡眠時(shí)長的增加顯著低于對照組小鼠，并且睡眠壓力的清除速率顯著快于對照組小鼠,。以上實(shí)驗(yàn)表明,，基底前腦區(qū)的谷氨酸能神經(jīng)元對睡眠壓力的積累起到了重要調(diào)控作用。

該研究揭示了基底前腦區(qū)域的谷氨酸能神經(jīng)元在介導(dǎo)清醒狀態(tài)下睡眠壓力的積累中所扮演的重要角色,，為進(jìn)一步研究睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),。

該項(xiàng)研究由博士研究生彭婉玲、宋鹍在中科院腦智卓越中心徐敏研究員的指導(dǎo)下完成,，研究的合作者為北京大學(xué)李毓龍研究員,、武照伐博士和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院張思宇研究員。本項(xiàng)目得到了中科院,、科技部,、基金委、上海市科委,、北京市科委,、廣東省科委的資助,。

研究背景

睡眠穩(wěn)態(tài)是睡眠持續(xù)時(shí)間與清醒之間的平衡，是睡眠-覺醒周期的基本特征,。在清醒期間,，促進(jìn)睡眠的促眠因素積聚并導(dǎo)致睡眠壓力增加或我們需要睡眠。數(shù)十年的研究已經(jīng)確定了許多與睡眠穩(wěn)態(tài)有關(guān)的基因,，分子和生化過程,。在與睡眠穩(wěn)態(tài)有關(guān)的各種過程中，腺苷是細(xì)胞代謝途徑的重要組成部分,，是睡眠穩(wěn)態(tài)的重要生理介質(zhì),。

在基底前腦（BF）中釋放的腺苷在調(diào)節(jié)睡眠-覺醒周期中起著至關(guān)重要的作用，可以抑制由A1受體介導(dǎo)的神經(jīng)活動并增加睡眠壓力,。另外,，睡眠-覺醒周期是由大腦中神經(jīng)活動的不同模式控制的，但是這種神經(jīng)活動如何促進(jìn)睡眠體內(nèi)平衡尚不清楚,。

文章來源： 中科院神經(jīng)科學(xué)研究所

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