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我国科学家找到了藏在大脑里的“瞌睡虫”
发布时间:2020-09-09     作者:王春   来源:科技日报   分享到:

春困夏乏秋打盹,人类大约有三分之一的时间是在睡眠状态中度过。当困意袭来,假如你还不能放下手头的工作,需要强打精神,此时人体睡眠稳态调节系统就会发挥作用。那么如何通过调节睡眠稳态系统让人在清醒与睡眠之间自由切换呢?科学家们在大脑的基底前脑区里找到了让人产生困意的“瞌睡虫”。

9月4日凌晨2点,《科学》杂志发表了题为《基底前脑区谷氨酸能神经元参与睡眠稳态因子腺苷的动态调控》的研究论文。该项研究利用新型遗传编码的腺苷探针,发现基底前脑区的谷氨酸能神经元对于睡眠压力的积累起着重要的调控作用,进一步揭示了睡眠稳态调控的神经环路机制,为探索睡眠障碍的治疗方法提供了重要参考。

该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(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徐敏研究组与北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心、北京大学麦戈文脑科学研究所李毓龙研究组合作完成。

谷氨酸能神经元,治疗睡眠障碍的潜在靶点

根据前人研究发现,一种名为“腺苷”的化合物在人体困意形成中扮演了重要角色。在睡眠稳态调节过程中,腺苷在清醒状态下的积累导致了“困意”的产生。因此阻断腺苷的作用就可以让人摆脱困倦。咖啡提神醒脑的原理就是如此。据了解,咖啡的主要成分咖啡因可以通过阻断腺苷与其受体的结合而达到促进清醒的效果。但是咖啡提神的功效只能维持6个小时,咖啡喝多了也可能影响身体健康。

在针对睡眠神经活动研究中,基底前脑被认为是腺苷参与睡眠稳态调控的重要脑区,该区域的局部神经环路参与到睡眠觉醒的调控中。但是神经元活动调控腺苷释放的机制尚属科学盲区。基底前脑不同类型神经元活动如何控制腺苷释放?这就是徐敏研究组需要回答的科学问题。

“睡眠行为最核心的特征就是睡眠稳态调控:随着清醒时间的延长,睡眠压力逐渐增加,并最终导致了我们的睡眠;而睡眠也就是睡眠压力被逐渐清除的过程。我们的研究发现基底前脑区的谷氨酸能神经元在睡眠的稳态调控中发挥了重要作用。”徐敏表示。

“基底前脑区的谷氨酸能神经元是调控睡眠压力的一个关键节点,有可能成为治疗睡眠障碍的一个潜在靶点。”徐敏介绍说,基底前脑区的谷氨酸能神经元的活动在促进机体清醒的同时,可以通过刺激腺苷的释放而引起睡眠压力的增加,导致觉醒到睡眠的转换。特异的损毁这些神经元可以显著降低腺苷的积累,并导致小鼠清醒时间的大幅度增长。 

寻求“人体为什么需要睡眠”的终极答案

值得注意的是,实验检测工具的创新对此次研究成果发挥了重要作用。研究人员小鼠试验过程中,需要在睡眠觉醒周期中对基底前脑区胞外腺苷浓度高时空分辨率的检测。然而,小鼠的快速眼动睡眠时长较短,传统的微透析方法无法对快速眼动睡眠时期的腺苷浓度进行精确测量。李毓龙研究组开发了一种新型的遗传编码的腺苷探针,该探针可以将胞外腺苷浓度的变化转化为探针荧光强度的快速变化。

“传统的检测方法可能10分钟抽样一次,而遗传编码的腺苷探针可以1秒中抽样10次。”得益于该探针的高时间分辨率,徐敏研究组首次发现,腺苷在快速眼动睡眠时期也存在很高的浓度,并且高于清醒和非快速眼动睡眠状态。不仅如此,研究者观察到,腺苷浓度在睡眠时相转变时存在快速的变化,提示其与神经元的活动密切相关。

为了进一步探究腺苷浓度增加与神经元活动的关系,徐敏研究组探究了基底前脑区两类神经元:乙酰胆碱能神经元和谷氨酸能神经元与腺苷浓度变化的相关性和因果性。

结果表明这两类神经元的钙活动与胞外腺苷浓度高度相关,并且神经活动总是提前于腺苷释放。光遗传激活这两类神经元能引起胞外腺苷浓度不同程度的增加,而谷氨酸能神经元的激活是腺苷浓度增加的主要原因。进一步,研究人员特异性损毁基底前脑区的谷氨酸能神经元,结果表明,胞外腺苷浓度的增加显著低于对照组小鼠。以上试验表明,谷氨酸能神经元的活动参与调控胞外腺苷积累过程。

前人的研究表明,基底前脑区腺苷积累受损会导致睡眠稳态调节异常,基于以上实验结果,徐敏研究组猜测,基底前脑区谷氨酸能神经元的缺失可能会影响睡眠稳态。结果表明基底前脑区谷氨酸能神经元缺失的小鼠睡眠压力显著降低(清醒时长显著增加),并且睡眠稳态也发生了改变——睡眠剥夺后睡眠时长的增加显著低于对照组小鼠,并且睡眠压力的清除速率显著快于对照组小鼠。实验表明,基底前脑区的谷氨酸能神经元对睡眠压力的积累起到了重要调控作用。

睡眠研究是基础科研的前沿领域,人体睡眠调控的神经机制也非常复杂。《科学》杂志曾将“我们为什么需要睡眠?”列为125个全世界最前沿的科学问题之一。徐敏研究组的研究还在继续。“我们计划在目前研究的基础上,进一步确定上述调控机制的普适性。这将有助于最终揭开‘我们为什么需要睡眠’这一睡眠领域终极问题的答案。”徐敏表示。

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多图组合:图注:腺苷快速释放和睡眠稳态的神经调控。(A)使用GCaMP和GRABAdo同时记录神经活动和腺苷释放,揭示了睡眠-觉醒周期中小鼠基底前脑区神经活动依赖的快速腺苷释放。(B)光遗传学激活基底前脑区谷氨酸能神经元引起细胞外腺苷的大幅度增加。(C)特异损伤基底前脑区谷氨酸能神经元可降低胞外腺苷水平,并明显增加小鼠的清醒时间。(图/徐敏研究组供图)

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