發(fā)布時(shí)間：2020-09-04
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(lèi)腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗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。該項研究利用新型遺傳編碼的腺苷探針，發(fā)現基底前腦區的谷氨酸能神經(jīng)元對于睡眠壓力的積累起著(zhù)重要的調控作用，進(jìn)一步揭示了睡眠穩態(tài)調控的神經(jīng)環(huán)路機制，為探索睡眠障礙的治療方法提供了重要參考。
睡眠是動(dòng)物界普遍存在的現象，人類(lèi)大約有三分之一的時(shí)間用于睡眠。然而睡眠是如何被調節的目前尚不清楚。經(jīng)典的睡眠調控模型認為，睡眠的調節分為兩個(gè)方面，晝夜節律和睡眠穩態(tài)。晝夜節律通過(guò)內在的生物鐘控制一天中睡眠覺(jué)醒的時(shí)間；睡眠穩態(tài)主要由睡眠壓力進(jìn)行調控，控制機體獲得一定的睡眠量。隨著(zhù)清醒時(shí)間的延長(cháng)，睡眠壓力逐漸增加；隨著(zhù)睡眠的進(jìn)行，睡眠壓力被逐漸清除。睡眠穩態(tài)調節系統會(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(cháng)。目前，主流理論認為“腺苷”參與到睡眠穩態(tài)調節過(guò)程中，其在清醒狀態(tài)下的積累導致了“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合而達到促進(jìn)清醒的效果。基底前腦被認為是腺苷參與睡眠穩態(tài)調控的重要腦區，環(huán)路層面的研究表明，該區域的局部神經(jīng)環(huán)路參與到對睡眠覺(jué)醒的調控中，然而神經(jīng)元活動(dòng)調控腺苷釋放的機制目前還不清楚。這限制了人們對睡眠覺(jué)醒調控機制的深入解析。
為了實(shí)現在睡眠覺(jué)醒周期中對基底前腦區胞外腺苷濃度高時(shí)空分辨率的檢測，李毓龍研究組開(kāi)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(fā)現基底前腦區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量腺苷濃度變化的研究結果相一致。然而，小鼠的快速眼動(dòng)睡眠時(shí)長(cháng)較短，傳統的微透析方法無(wú)法對快速眼動(dòng)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，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(guān)察到，腺苷濃度在睡眠時(shí)相轉變時(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兩類(lèi)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。結果表明這兩類(lèi)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(lèi)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的谷氨酸能神經(jīng)元，結果表明，胞外腺苷濃度的增加顯著(zhù)低于對照組小鼠。以上試驗表明，谷氨酸能神經(jīng)元的活動(dòng)參與調控胞外腺苷積累過(guò)程。
前人的研究表明，基底前腦區腺苷積累受損會(huì )導致睡眠穩態(tài)調節異常，基于以上實(shí)驗結果，徐敏研究組猜測，基底前腦區谷氨酸能神經(jīng)元的缺失可能會(huì )影響睡眠穩態(tài)。結果表明：基底前腦區谷氨酸能神經(jīng)元缺失的小鼠睡眠壓力顯著(zhù)降低（清醒時(shí)長(cháng)顯著(zhù)增加），并且睡眠穩態(tài)也發(fā)生了改變——睡眠剝奪后睡眠時(shí)長(cháng)的增加顯著(zhù)低于對照組小鼠，并且睡眠壓力的清除速率顯著(zhù)快于對照組小鼠。以上實(shí)驗表明，基底前腦區的谷氨酸能神經(jīng)元對睡眠壓力的積累起到了重要調控作用。
該研究揭示了基底前腦區域的谷氨酸能神經(jīng)元在介導清醒狀態(tài)下睡眠壓力的積累中所扮演的重要角色，為進(jìn)一步研究睡眠穩態(tài)調節機制奠定了堅實(shí)的基礎。
該項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)醫學(xué)院張思宇研究員。本項目得到了中科院、科技部、基金委、上海市科委、北京市科委、廣東省科委的資助。
圖注：腺苷快速釋放和睡眠穩態(tài)的神經(jīng)調控。（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神經(jīng)活動(dòng)依賴(lài)的快速腺苷釋放。（B）光遺傳學(xué)激活基底前腦區谷氨酸能神經(jīng)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(jīng)元可降低胞外腺苷水平，并明顯增加小鼠的清醒時(shí)間。
附件下載： 
