在人類大腦中，星形膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量大約是神經(jīng)元的 5 倍，但是學(xué)界一直認(rèn)為這類細(xì)胞主要起到支持作用。如今，借助新的研究工具，研究者們才得以觀察星形膠質(zhì)細(xì)胞的活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)它們?cè)谡{(diào)節(jié)睡眠方面可能和神經(jīng)元同樣重要。研究資深作者說：“100 多年來我們可能一直在錯(cuò)誤的地方尋找。”
用熒光鈣指示劑標(biāo)記的星形膠質(zhì)細(xì)胞，用雙光子顯微鏡拍攝。圖片來源：Image by Ashley Ingiosi, courtesy ofCurrent Biology
來源 華盛頓州立大學(xué)
翻譯 王嘉媛
審校 戚譯引
近日發(fā)表在《當(dāng)代生物學(xué)》（Current Biology）雜志上的一項(xiàng)新研究表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞在調(diào)節(jié)睡眠方面可能與神經(jīng)元一樣重要。
在美國華盛頓州立大學(xué)（Washington State University）埃爾森·弗洛伊德醫(yī)學(xué)院（Elson S. Floyd College of Medicine）的研究人員的帶領(lǐng)下，這項(xiàng)研究為最終揭開我們?yōu)楹嗡咭约八叩拇竽X過程的謎題指出了新的方向。針對(duì)睡眠障礙、神經(jīng)疾病以及其他與睡眠問題相關(guān)的疾病，如 PTSD（創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙）、抑郁癥、阿爾茨海默癥和自閉癥譜系障礙，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)也可能為未來的潛在治療策略奠定基礎(chǔ)。
該研究的第一作者、博士后研究助理 Ashley Ingiosi 說：“我們對(duì)睡眠的了解很大程度上取決于神經(jīng)元。”她解釋說，神經(jīng)元通過可以通過電信號(hào)進(jìn)行交流，而這些電信號(hào)很容易被腦電圖（EEG）捕獲到。而星形膠質(zhì)細(xì)胞是一種與神經(jīng)元相互作用的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，它不使用電信號(hào)，而是使用一種稱為鈣信號(hào)的過程來控制其活動(dòng)。
一項(xiàng)新研究表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞（呈星形的腦細(xì)胞）在調(diào)節(jié)睡眠方面可能與神經(jīng)元（大腦的神經(jīng)細(xì)胞）一樣重要。盡管有一些研究暗示星形膠質(zhì)細(xì)胞可能在睡眠中發(fā)揮作用，但直到最近才有可靠的科學(xué)工具來研究其鈣離子活性，Ingiosi 說。
為了更深入地研究星形膠質(zhì)細(xì)胞在睡眠中的作用，她和共同作者們使用了嚙齒動(dòng)物模型，來記錄星形膠質(zhì)細(xì)胞在整個(gè)睡眠和清醒過程以及睡眠剝奪后的鈣活性。他們使用了一種熒光鈣指示劑，能夠通過微型頭戴式顯微鏡成像，可以在小鼠四處活動(dòng)并表現(xiàn)出正常行為時(shí)，直接觀察它們的大腦。該指示劑使研究小組能夠觀察在小鼠的睡眠和清醒狀態(tài)下，鈣驅(qū)動(dòng)的熒光活動(dòng)如何在星形膠質(zhì)細(xì)胞中閃爍。得益于這種獨(dú)特的使用微型顯微鏡的方法，研究小組才能首次在自由行動(dòng)的動(dòng)物身上研究睡眠中星形膠質(zhì)細(xì)胞的鈣活性。
研究團(tuán)隊(duì)著手回答兩個(gè)主要問題：星形膠質(zhì)細(xì)胞是否像神經(jīng)元一樣，在睡眠和清醒狀態(tài)之間發(fā)生動(dòng)態(tài)變化？星形膠質(zhì)細(xì)胞是否在調(diào)節(jié)睡眠需求、即我們的自然睡眠驅(qū)動(dòng)力方面中發(fā)揮作用？
大腦額葉皮層與睡眠需要相關(guān)的可測(cè)量的腦電圖變化有關(guān)，通過觀察這一區(qū)域的星形膠質(zhì)細(xì)胞，他們發(fā)現(xiàn)它的活性在整個(gè)睡眠—覺醒周期中動(dòng)態(tài)變化，神經(jīng)元也是如此。他們還觀察到，在休息階段開始時(shí)鈣活動(dòng)最多，也就是睡眠需求最大的階段；而在測(cè)試階段結(jié)束時(shí)鈣活動(dòng)最少，也就是睡眠需求消失的時(shí)候。
接下來，他們讓小鼠在正常休息階段的前 6 個(gè)小時(shí)保持清醒狀態(tài)，并觀察到鈣的活動(dòng)與睡眠中 EEG 慢波活動(dòng)的變化同步，而 EEG 慢波活動(dòng)是睡眠需求的關(guān)鍵指標(biāo)。也就是說，他們發(fā)現(xiàn)睡眠剝奪會(huì)導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動(dòng)的增加，而在小鼠被允許睡眠后，這種活性會(huì)降低。
他們的下一個(gè)問題是，通過基因操縱改變星形膠質(zhì)細(xì)胞的鈣活性是否會(huì)影響睡眠調(diào)節(jié)。為了找出答案，他們研究了在星形膠質(zhì)細(xì)胞中選擇性缺乏 STIM1 蛋白的小鼠，這種蛋白會(huì)減少可用的鈣的含量。在被剝奪睡眠后，這些小鼠的睡眠時(shí)間和困倦程度都不及正常小鼠，這進(jìn)一步證實(shí)了早期發(fā)現(xiàn)，表明星形膠質(zhì)細(xì)胞在調(diào)節(jié)睡眠需求中發(fā)揮重要作用。
最后，他們檢驗(yàn)了以下假設(shè)，即星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活性僅反映神經(jīng)元的電活動(dòng)。此前的研究表明，在非快速眼動(dòng)睡眠期間和睡眠剝奪后，神經(jīng)元的電活動(dòng)變得更加同步；但研究人員發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞的情況正好相反，在非快速眼動(dòng)睡眠和睡眠剝奪后，鈣活動(dòng)變得不那么同步。
“這向我們表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞并不是被動(dòng)地跟隨神經(jīng)元的引導(dǎo)，”Ingiosi 說：“而且，由于星形膠質(zhì)細(xì)胞不一定表現(xiàn)出與神經(jīng)元相同的活動(dòng)模式，這實(shí)際上可能暗示星形膠質(zhì)細(xì)胞在調(diào)節(jié)睡眠和睡眠需求方面具有更直接的作用?！?/div>
Ingiosi 說，需要更多的研究來進(jìn)一步闡明星形膠質(zhì)細(xì)胞在睡眠和睡眠調(diào)節(jié)中的作用。她計(jì)劃在已被證明對(duì)睡眠和清醒很重要的大腦其他部位研究星形膠質(zhì)細(xì)胞的鈣活動(dòng)。此外，她還想研究星形膠質(zhì)細(xì)胞與大腦中不同神經(jīng)遞質(zhì)的相互作用，以開始梳理出星形膠質(zhì)細(xì)胞驅(qū)動(dòng)睡眠和睡眠需求的機(jī)制。
文章資深作者、生物醫(yī)學(xué)教授 Marcos Frank 表示：“我們的研究結(jié)果表明，100 多年來我們可能一直在錯(cuò)誤的地方尋找。研究提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，表明我們應(yīng)該以星形膠質(zhì)細(xì)胞為目標(biāo)，以了解我們?yōu)楹我约叭绾稳胨?，以及開發(fā)出新的治療方法，以幫助患有睡眠紊亂和其他涉及異常睡眠的疾病的人。”
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