Science | 李毓龍課題組合作揭示腺苷在睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)控的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制
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，該研究由北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北京大學(xué)麥戈文腦科學(xué)研究所、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心李毓龍研究組與中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐敏研究組合作完成。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(duì)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(dòng)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(gè)方面，晝夜節(jié)律和睡眠穩(wěn)態(tài)。晝夜節(jié)律通過(guò)內(nèi)在的生物鐘控制一天中睡眠覺(jué)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(zhǎng)，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(huì)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(zhǎng)。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(guò)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(guò)阻斷腺苷與其受體的結(jié)合而達(dá)到促進(jìn)清醒的效果?；浊澳X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(duì)睡眠覺(jué)醒的調(diào)控中，然而神經(jīng)元活動(dòng)調(diào)控腺苷釋放的機(jī)制目前還不清楚。這限制了人們對(duì)睡眠覺(jué)醒調(diào)控機(jī)制的深入解析。
為了實(shí)現(xiàn)在睡眠覺(jué)醒周期中對(duì)基底前腦區(qū)胞外腺苷濃度高時(shí)空分辨率的檢測(cè)，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(dòng)睡眠時(shí)較低，這與之前采用微透析法測(cè)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(dòng)睡眠時(shí)長(zhǎng)較短，傳統(tǒng)的微透析方法無(wú)法對(duì)快速眼動(dòng)睡眠時(shí)期的腺苷濃度進(jìn)行精確測(cè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)與胞外腺苷濃度高度相關(guān)，并且神經(jīng)活動(dòng)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(duì)照組小鼠。以上試驗(yàn)表明，谷氨酸能神經(jīng)元的活動(dòng)參與調(diào)控胞外腺苷積累過(guò)程。
前人的研究表明，基底前腦區(qū)腺苷積累受損會(huì)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(cè)，基底前腦區(qū)谷氨酸能神經(jīng)元的缺失可能會(huì)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(zhǎng)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(zhǎng)的增加顯著低于對(duì)照組小鼠，并且睡眠壓力的清除速率顯著快于對(duì)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(duì)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)。
該研究由北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北京大學(xué)麥戈文腦科學(xué)研究所、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心李毓龍研究組與中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐敏研究組合作完成。
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(dòng)和腺苷釋放，揭示了睡眠-覺(jué)醒周期中小鼠基底前腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)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。
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