中国科学家发现谷氨酸能神经元对睡眠稳态调节的重要作用

来源| Yangguang.com

作者|吴

编者|郑

9月4日，《科学》杂志发表了一篇题为《基础前脑糖元调节睡眠稳态介质腺苷》的研究论文。该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心徐敏研究组(神经科学研究所)、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室、北京大学生命科学学院李玉龙研究组、北京大学清华生命科学联合中心和北京大学麦戈文脑科学研究所完成。本研究发现基底前脑谷氨酸能神经元在调节睡眠应激积累中发挥重要作用，进一步揭示了睡眠稳态调节的神经环路机制，为探索睡眠障碍的治疗提供了重要参考。

睡眠是动物界的普遍现象，人类大约有三分之一的时间是在睡觉。然而，睡眠是如何调节的尚不清楚。根据经典的睡眠调节模型，睡眠的调节可以分为昼夜节律和睡眠稳态两个方面。昼夜节律通过内部生物钟控制一天中睡眠觉醒的时间；睡眠稳态主要由睡眠压力调节，睡眠压力控制身体获得一定的睡眠。随着清醒时间的延长，睡眠压力逐渐增大；随着睡眠的进展，睡眠压力逐渐消除。睡眠稳态调节系统会在睡眠受到干扰时发挥作用，比如睡得更“香”，熬夜后睡得更久。目前主流理论认为“腺苷”参与睡眠的稳态调节，其在清醒状态下的积累导致“嗜睡”，而咖啡的主要成分咖啡因通过阻断腺苷与其受体的结合来促进清醒。基底前脑被认为是腺苷参与调节睡眠稳态的重要脑区。环路水平的研究表明，该区域的局部神经环路参与睡眠觉醒的调节，但神经元活动调节腺苷释放的机制尚不清楚。这就限制了人们对睡眠觉醒调节机制的深入分析。

为了实现睡眠觉醒周期中基底前脑细胞外腺苷浓度高空时的分辨率检测，李玉龙的研究小组开发了一种新型的基因编码腺苷探针，可以将细胞外腺苷浓度的变化转化为探针荧光强度的快速变化。

利用这种腺苷探针，徐敏的研究小组发现，基底前脑腺苷浓度在清醒状态下较高，在非快速眼动睡眠状态下较低，这与以前通过微透析测量腺苷浓度变化的研究结果一致。但小鼠快速眼动(REM)睡眠时间短，传统的微透析方法无法准确测量REM睡眠时腺苷浓度。由于探针的高时间分辨率，徐敏研究小组首次发现腺苷在快速眼动睡眠中也有高浓度，高于清醒和非快速眼动睡眠。此外，研究人员观察到腺苷浓度在睡眠阶段转换期间迅速变化，表明它与神经元活动密切相关。

为了进一步探索腺苷浓度的增加与神经元活性之间的关系，徐敏的研究小组探索了基底前脑中两种类型的神经元(乙酰胆碱能神经元和谷氨酸能神经元)与腺苷浓度变化之间的相关性和因果关系。结果表明，这两类神经元的钙活性与细胞外腺苷浓度高度相关，神经活性始终先于腺苷释放。这两类神经元的光生激活可不同程度地引起细胞外腺苷浓度升高，谷氨酸能神经元的激活是腺苷浓度升高的主要原因。此外，研究人员特别损坏基底前脑中的谷氨酸能神经元。结果表明，细胞外腺苷浓度的增加明显低于对照组小鼠。上述实验表明谷氨酸能神经元的活性参与调节细胞外腺苷的积累。

以前的研究表明，基底前脑腺苷积累受损会导致睡眠稳态的异常调节。基于上述实验结果，徐敏的研究小组推测基底前脑谷氨酸能神经元的缺失可能影响睡眠稳态。结果表明，基底前脑谷氨酸能神经元缺失小鼠的睡眠应激显著降低(清醒时间显著增加)，睡眠稳定性发生改变。睡眠剥夺后睡眠时间明显增加，低于对照组小鼠，睡眠应激清除率明显快于对照组小鼠。这些实验表明基底前脑谷氨酸能神经元在调节睡眠应激的积累中起着重要作用。

本研究揭示基底前脑谷氨酸能神经元在介导清醒状态下睡眠应激的积累中起重要作用，为进一步研究睡眠稳态调节机制奠定了坚实的基础。

该研究由博士生彭万玲和宋飞在中国科学院大脑与智能研究中心研究员徐敏的指导下完成。研究伙伴为北京大学李玉龙研究员、上海交通大学医学院吴兆发博士和张思雨研究员。该项目得到了中国科学院、科技部、基金委、上海市科委、北京市科委和广东省科委的支持。