2月7日，Cell Discovery在線發(fā)表了題為Adenosine-Independent Regulation of the Sleep-Wake Cycle by Astrocyte Activity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）徐敏研究組和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院張思宇研究組合作完成。該研究采用光纖記錄、化學(xué)遺傳、基因敲除和腦片電生理等技術(shù)，結(jié)合新型腺苷、ATP熒光探針，發(fā)現(xiàn)基底前腦星形膠質(zhì)細(xì)胞可雙向調(diào)控睡眠-覺醒行為，且該過程不依賴胞外腺苷信號。該研究為剖析星形膠質(zhì)細(xì)胞在睡眠-覺醒中的作用與機制提供了新線索。

以往研究表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞通過腺苷途徑調(diào)控睡眠-覺醒行為。這些研究主要通過在星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達dnSNARE抑制其胞吐作用，并結(jié)合藥理學(xué)手段拮抗腺苷受體，間接探究了星形膠質(zhì)細(xì)胞來源的腺苷對睡眠-覺醒行為的調(diào)控作用。然而，介導(dǎo)dnSNARE在星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達GFAP啟動子導(dǎo)致外源基因在神經(jīng)元中異位表達。神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞均可調(diào)控胞外腺苷濃度，而二者之間的相對貢獻尚不清楚。此外，最新研究發(fā)現(xiàn)，睡眠-覺醒行為關(guān)鍵調(diào)控腦區(qū)基底前腦（basal forebrain，BF）的神經(jīng)元是胞外腺苷的重要來源。系列研究提示星形膠質(zhì)細(xì)胞是胞外腺苷重要來源這一經(jīng)典觀點可能不準(zhǔn)確，星形膠質(zhì)細(xì)胞可能不是通過腺苷途徑調(diào)控睡眠-覺醒行為。

為探究BF星形膠質(zhì)細(xì)胞調(diào)控睡眠-覺醒行為的機制，研究建立了可在BF介導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞特異基因表達的方法。研究通過系統(tǒng)性的測試發(fā)現(xiàn)，既往研究采用的多種轉(zhuǎn)基因小鼠或病毒策略均在BF腦區(qū)導(dǎo)致嚴(yán)重神經(jīng)元漏表達，原本設(shè)計為靶向星形膠質(zhì)細(xì)胞的基因卻表達在神經(jīng)元中，而AAV5+GfaABC1D啟動子可在BF介導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞高度特異的基因表達。

為揭示BF星形膠質(zhì)細(xì)胞對睡眠-覺醒周期的調(diào)控作用，研究通過光纖記錄測量了BF星形膠質(zhì)細(xì)胞在睡眠-覺醒周期中的活動模式，發(fā)現(xiàn)BF星形膠質(zhì)細(xì)胞在覺醒期非常活躍，提示其可能參與覺醒維持。研究采用化學(xué)遺傳和條件性敲除IP3R2受體兩種方法，分別激活和抑制BF星形膠質(zhì)細(xì)胞的鈣活動，并記錄分析小鼠睡眠-覺醒行為的變化情況。實驗發(fā)現(xiàn)，激活BF星形膠質(zhì)細(xì)胞導(dǎo)致小鼠NREM睡眠碎片化，REM睡眠時長減少，表明小鼠睡眠質(zhì)量下降，整體覺醒水平增加；而抑制BF星形膠質(zhì)細(xì)胞則顯著降低小鼠的覺醒水平。上述研究表明，BF星形膠質(zhì)細(xì)胞可雙向調(diào)節(jié)睡眠-覺醒行為。

在確定BF星形膠質(zhì)細(xì)胞對睡眠-覺醒行為的調(diào)控作用后，研究人員探討了腺苷信號是否在該過程中發(fā)揮重要作用。既往研究認(rèn)為，星形膠質(zhì)細(xì)胞通過分泌ATP，之后ATP通過一系列胞外酶降解為腺苷。因此，科研人員采用北京大學(xué)教授李毓龍團隊開發(fā)的腺苷和ATP探針，測量了胞外腺苷、ATP和星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動之間的相關(guān)性。實驗發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動與胞外腺苷及ATP信號高度相關(guān)，星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動與ATP信號在時程具有一致性，且均提前于腺苷信號。這提示星形膠質(zhì)細(xì)胞可能通過釋放ATP驅(qū)動了胞外腺苷濃度上升。

為驗證星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動是否可驅(qū)動胞外腺苷水平上升，研究人員采用光遺傳方法激活星形膠質(zhì)細(xì)胞，卻未發(fā)現(xiàn)胞外腺苷水平顯著上升。敲除介導(dǎo)ATP向腺苷轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶——CD73也未能影響胞外腺苷水平。以上實驗提示，BF星形膠質(zhì)細(xì)胞可能不是胞外腺苷的重要來源。

光遺傳激活星形膠質(zhì)細(xì)胞引起的鈣活動可能與生理鈣信號存在一定差異，且ATP也可能通過CD73以外的酶被轉(zhuǎn)化為腺苷。因此，研究人員進一步采用條件敲除IP3R2受體的方法直接抑制BF星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動，以觀察其對胞外腺苷濃度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動只影響胞外ATP水平，并不影響胞外腺苷濃度。該實驗表明星形膠質(zhì)細(xì)胞極有可能不是胞外腺苷濃度上升的重要因素，進一步提示星形膠質(zhì)細(xì)胞可能通過非腺苷依賴的途徑調(diào)控了睡眠-覺醒行為。

此外，研究人員進一步探究了BF星形膠質(zhì)細(xì)胞活動與神經(jīng)元活動之間的相互影響，發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞活動主要由BF腦區(qū)內(nèi)的神經(jīng)活動引起，且化學(xué)遺傳激活星形膠質(zhì)細(xì)胞可改變持續(xù)性抑制（tonic GABA current）和BF腦區(qū)的突觸傳遞。研究初步探索了BF腦區(qū)之外的星形膠質(zhì)細(xì)胞影響睡眠-覺醒周期的機制。

星形膠質(zhì)細(xì)胞可通過多種機制調(diào)控睡眠-覺醒行為，其中腺苷信號被認(rèn)為發(fā)揮了重要作用。然而，既往研究采用非特異的GFAP-Cre小鼠，導(dǎo)致無法區(qū)分實驗結(jié)果是星形膠質(zhì)細(xì)胞還是神經(jīng)元活動改變所致。當(dāng)前研究采用病毒介導(dǎo)的高度特異表達體系，結(jié)合最新開發(fā)的腺苷和ATP熒光探針以及多種轉(zhuǎn)基因小鼠，探索BF腦區(qū)星形膠質(zhì)細(xì)胞調(diào)控睡眠-覺醒行為的機制，發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞不是胞外腺苷的重要來源，提示“星形膠質(zhì)細(xì)胞通過非腺苷途徑調(diào)控了睡眠-覺醒行為”。

研究工作得到中科院、科技部、國家自然科學(xué)基金和上海市等的支持。

星形膠質(zhì)細(xì)胞對睡眠-覺醒周期的調(diào)控

腦智卓越中心等發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞調(diào)控睡眠新機制

來源：中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心

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