作者:何静 来源:中国科学报 发布时间:2020/9/4 21:16:25
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睡眠质量谁做主?
研究发现谷氨酸能神经元对睡眠稳态调节的重要作用

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心供图

 徐敏(中科院科技摄影联盟 曹发华摄)

人的一生有1/3时间在睡眠中度过。睡眠紊乱严重影响身心健康,会导致大脑认知能力受损、运动协调性下降、免疫力降低、诱发精神类和心血管疾病等。睡眠到底是如何被调节的?我国科学家近期的一项研究给出了答案。

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、上海脑科学与类脑研究中心徐敏研究团队与北京大学生命科学学院、北大—清华生命科学联合中心李毓龙研究团队合作,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。相关研究9月4日在线发表于《科学》。

犯困:睡眠压力积累下“睡眠稳态”调节的结果

睡眠的调节分为两个方面,昼夜节律和睡眠稳态。昼夜节律通过内在的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进行调控,控制机体获得一定的睡眠量。

睡眠行为最核心的特征就是睡眠稳态调控。徐敏说,“我们之所以会觉得很困,是因为随着清醒时间的延长,睡眠压力逐渐增加;在睡眠过程中,这种压力则被逐渐清除。睡眠稳态调节系统会在睡眠受到干扰时发挥作用,比如,熬夜之后睡得更‘香’,并且时间更长。”

以往研究显示,“腺苷”参与到睡眠稳态调节过程中,其在清醒状态下的积累导致了“困意”的产生。

“喝咖啡能提神,是因为其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。” 徐敏说。

“基底前脑被认为是腺苷参与睡眠稳态调控的重要脑区,以往研究表明,该区域的局部神经环路参与到对睡眠觉醒的调控中。神经元活动如何调控腺苷释放?这是我们这项研究重点聚焦的问题。” 徐敏说。

利器:新型的遗传编码的腺苷探针

工欲善其事,必先利其器。为了实现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,李毓龙团队用了三年多时间开发了一种新型的遗传编码的腺苷探针。

李毓龙介绍:“新型遗传编码的腺苷探针的基本原理是将一个对蛋白构象敏感的荧光蛋白插入到腺苷受体中,腺苷与受体结合后将引起受体蛋白构象的变化,从而引发荧光蛋白荧光强度的变化。探针是基于内源的腺苷受体改造的,对腺苷具有与内源受体类似的亲和力和特异性。”

李毓龙说:“新探针除了可以广泛用于包括睡眠在内的各个生理及病理状态下腺苷的检测中,还能够应用于其他与腺苷功能相关的生理状态(如运动、学习记忆等)或者病理状态(如脑卒中、帕金森病等)的基础研究中。”

有了“利器”腺苷探针,研究人员发现基底前脑区的腺苷浓度在清醒状态时较高,在非快速眼动睡眠时较低,这与之前采用微透析法测量腺苷浓度变化的研究结果相一致。

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。“我们的新型探针具有毫秒至秒级的动力学特性,因此能够实现对腺苷水平变化的实时监测。”李毓龙表示,“探针大幅度提高了腺苷检测的时间分辨率 ,从10分钟缩短到0.1秒。这也是探针技术与微透析技术相比的最大优势。”

得益于新探针的高时间分辨率,研究首次发现,腺苷在快速眼动睡眠时期也有很高的浓度,并且高于清醒和非快速眼动睡眠状态。

发现:谷氨酸能神经元活动是控制腺苷释放的关键调控因素

“睡眠调控的研究主要可以分成两个‘学派’:一个是从神经环路角度入手研究不同脑区对睡眠觉醒的调控;另一个是从基因分子等入手研究睡眠稳态的调控。在过去几十年,这两个方向都取得了很大的进步。但是,这两个方向的研究又基本上是相互独立的。” 徐敏说,“我们的工作创新性在于通过研究神经活动对腺苷释放的调控,把这两个方向有机结合了起来。”

研究人员发现,谷氨酸能神经元的激活是腺苷浓度增加的主要原因。在基底前脑区的谷氨酸能神经元被特异性损毁后,实验小鼠胞外腺苷浓度的增加情况显著低于对照组小鼠。研究表明,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。

研究人员认为,这项研究揭示了基底前脑区域的谷氨酸能神经元在介导清醒状态下睡眠压力的积累中所扮演的重要角色,为进一步研究睡眠稳态调节机制奠定了坚实的基础。

“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。我们希望通过理解大脑调控睡眠的神经机理,最终为临床上睡眠相关疾病的治疗提供理论基础。” 徐敏说,“睡眠调控的神经机制非常复杂,未来,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。”

相关论文信息:https://science.sciencemag.org/content/369/6508/eabb0556

 
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