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文献解读

【内含新品】《Science》李毓龙/徐敏合作发现基底前脑谷氨酸能神经元调控睡眠稳态因子腺苷

2022-01-11  

   睡眠稳态是睡眠时间和清醒时间之间的平衡,属于睡眠-觉醒的基本特征。在清醒期间,促睡眠因子累积导致睡眠压力的增加或对睡眠的需求增大。几十年的前人研究已经发现了许多基因、分子和生化过程参与睡眠稳态的调节。在与睡眠稳态相关的各种过程中,腺苷作为细胞代谢途径的关键组分,是睡眠稳态的重要生理介质。研究表明基底前脑(BF)在调节睡眠-觉醒周期中起关键作用,可释放腺苷抑制A1受体介导的神经活动,并增加睡眠压力。此外,睡眠-觉醒周期由大脑中神经活动的不同模式控制,但这种神经活动如何有助于睡眠稳态,目前尚不清楚
   2020年9月4日,李毓龙/徐敏合作在《Science》在线发表题为《Regulation of sleep homeostasis mediator adenosine by basal forebrain glutamatergic neurons》的研究论文,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)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李毓龙研究组合作完成。在这项研究中,通过详细研究BF中腺苷增加的机制来探究睡眠稳态的神经控制。


   由于传统微透析法测量腺苷浓度的时间分辨率很差,于是作者首先设计了一种遗传编码的G蛋白偶联受体(GPCR)腺苷激活(GRABAdo)探针,胞外腺苷的量由绿光荧光蛋白(GFP)产生的荧光强度表征。使用GRABAdo,首先测量了睡眠-觉醒周期中小鼠BF中胞外腺苷浓度的动态变化。使用同步光纤记录不同BF神经元的Ca2+活性和腺苷浓度的变化来检测腺苷增加与神经活动之间的相关性。进一步通过光遗传激活研究不同BF神经元控制腺苷释放的能力。最后,使用细胞类型特异性损伤来确认BF神经元在控制腺苷浓度增加中的作用,并检测其对睡眠稳态调节的作用。
   作者研究发现,胞外腺苷含量在清醒时较高,而在非快速眼动(NREM)睡眠时较低。得益于GRABAdo的高时间分辨率,还发现REM睡眠期间腺苷显著增加,从而揭示了大脑状态转换期间腺苷浓度的快速变化。同步光纤记录不同BF神经元的Ca2+活性和胞外腺苷浓度变化。表明胆碱能神经元和谷氨酸能神经元的活性都与腺苷浓度变化高度相关。在检查两个信号的时间进程时,发现神经活动总是先于腺苷动力学的变化几十秒。通过光遗传学激活这两类神经元后利用它们的生理放电频率来测量诱发的腺苷释放时,发现BF胆碱能神经元的激活只产生胞外腺苷的适度增加;相比之下,BF谷氨酸能神经元的激活则引起了大量而剧烈的增加。最后,使用Cre依赖性Caspase-3结合VGLUT2-IRES-Cre小鼠选择性消除BF谷氨酸能神经元,发现胞外腺苷含量的增加显著减少。此外,选择性损伤BF谷氨酸能神经元的小鼠表现出睡眠稳态调节受损,在活跃期觉醒显著增加。
   综上所述,本研究中开发了一种具有高灵敏度、高特异性、高时间分辨率的遗传编码腺苷探针。使用这个探针,结合光纤记录,光遗传激活,和细胞类型特异性损伤,作者证明了在睡眠-觉醒周期中小鼠BF神经活动依赖性胞外腺苷浓度的快速动力学,并揭示了BF谷氨酸能神经元在控制腺苷动力学和睡眠稳态中的关键作用。这些发现表明,在清醒时,细胞类型特异性神经活动可以刺激促睡眠因子的释放,从而增加睡眠压力。
   中科院脑智卓越中心博士研究生彭婉玲宋鹍和北京大学生命科学学院博士研究生武照伐为本研究共同第一作者。本研究得到了国家自然科学基金,国家科学技术部、北京市科学技术委员会、上海市科学技术委员会、广东省科学技术厅基金支持。
图:腺苷快速动力学和睡眠稳态的神经控制
A:使用GCaMP和GRABAdo同时光纤记录Ca2+活性和腺苷浓度,揭示了睡眠-觉醒周期中小鼠BF(基底前脑)神经活动依赖的快速腺苷动力学;B:光遗传学激活BF谷氨酸能神经元引起胞外腺苷的大量增加;C:细胞类型特异性损伤BF谷氨酸能神经元显著增加觉醒。

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