睡眠通過促進多種生理過程，包括神經(jīng)元活動、突觸強度和代謝廢物消除。小膠質(zhì)細(xì)胞是大腦中的主要免Y細(xì)胞，具有通過調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動、修剪來維持大腦穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵部分，消除細(xì)胞碎片和有害聚集體。睡眠與免Y系統(tǒng)活動相互作用，但它與小膠質(zhì)細(xì)胞的特殊關(guān)系仍然知之甚少。
基于此，2024年1月18日美國加州大學(xué)伯克利分校霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所丹揚研究團隊在Nature neuroscience雜志發(fā)表了“Microglia regulate sleep through calcium-dependent modulation of norepinephrine transmission”揭示了小膠質(zhì)細(xì)胞通過鈣依賴性調(diào)節(jié)去甲腎上腺素的傳遞來調(diào)控睡眠。
作者在小鼠中發(fā)現(xiàn)，小膠質(zhì)細(xì)胞可以通過Gi偶聯(lián)GPCRs、細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號和抑制去甲腎上腺素傳遞的機制來調(diào)節(jié)睡眠。小膠質(zhì)細(xì)胞Gi信號的化學(xué)激活會強烈促進睡眠，而Gi偶聯(lián)的P2Y12受體的藥理學(xué)阻斷則會減少睡眠。雙光子成像顯示，P2Y12-Gi的激活提高了小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的Ca2+，而阻斷這種Ca2+的升高在很大程度上消除了Gi誘導(dǎo)的睡眠增加。小膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+水平在自然覺醒到睡眠轉(zhuǎn)變時也升高，部分原因是去甲腎上腺素水平降低。此外，小膠質(zhì)細(xì)胞P2Y12-Gi激活顯著降低了去甲腎上腺素水平，部分是通過增加腺苷濃度實現(xiàn)的。這些結(jié)果表明，小膠質(zhì)細(xì)胞可以通過與去甲腎上腺素傳遞的相互作用來調(diào)節(jié)睡眠。
為了檢測小膠質(zhì)細(xì)胞中Gi信號的激活是否影響睡眠，作者將Tmem119-CreERT2小鼠與cre誘導(dǎo)hM4DiGi-DREADD小鼠雜交，接下來檢測在家籠中自由活動的小鼠的睡眠-覺醒狀態(tài)，并根據(jù)腦電圖和肌電圖記錄對清醒和睡眠狀態(tài)進行分類。與注射生理鹽水的對照小鼠相比，化學(xué)激活小膠質(zhì)細(xì)胞Gi信號可顯著增加非快速眼動睡眠和降低清醒狀態(tài)。為了檢測P2Y12受體介導(dǎo)的內(nèi)源性Gi信號是否在睡眠-覺醒調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用，在側(cè)腦室內(nèi)注射PSB0739，一種選擇性的P2Y12受體拮抗劑，發(fā)現(xiàn)PSB0739導(dǎo)致非快速眼動睡眠顯著減少，清醒增加。相反，側(cè)腦室注射激活P2Y12受體激動劑2MeSADP增加了給藥發(fā)作的持續(xù)時間非快速眼動睡眠。因此，P2Y12受體信號通路對非快速眼動睡眠的維持有重要作用。
Gi的激活還可導(dǎo)致體外小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)Ca2+的增加，前額葉皮層可能通過與多個覺醒促進神經(jīng)調(diào)節(jié)中心的相互聯(lián)系參與了大腦狀態(tài)調(diào)節(jié)，于是作者對在小膠質(zhì)細(xì)胞中特異性表達Gi-DREADD和GcaMP6的小鼠前額葉皮質(zhì)進行了雙光子成像。CNO誘導(dǎo)的Gi激活導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+活性的強烈增加，而生理鹽水注射沒有顯著影響。值得注意的是，CNO誘導(dǎo)的Gi激活也增加了NREM睡眠，這可能與Gi激活的直接影響分開，促進小膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+的增加。作者比較靜脈注射前后Ca2+活性，發(fā)現(xiàn)CNO的影響仍然明顯，說明Ca2+的增加不僅僅是腦狀態(tài)變化的間接影響。與生理鹽水對照組相比，注射CNO后Ca2+的振幅和頻率均顯著增加，且對小膠質(zhì)細(xì)胞過程的影響較強。除了Gi信號的化學(xué)遺傳學(xué)激活，在前額葉皮質(zhì)局部應(yīng)用P2Y12激動劑2MeSADP引起小膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+活動增加，盡管2MeSADP也可能激活P2Y1和P2Y13，可以發(fā)揮協(xié)同或?qū)π∧z質(zhì)細(xì)胞不同的影響功能。
作者進一步探究小膠質(zhì)細(xì)胞是否有Ca2+信號反過來可以調(diào)節(jié)網(wǎng)元的傳輸，CNO誘導(dǎo)Gi小膠質(zhì)細(xì)胞的激活導(dǎo)致皮質(zhì)細(xì)胞外NE濃度明顯降低，表明NE傳遞與小膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+之間存在相互拮抗關(guān)系信號。鑒于NE在促進清醒方面的作用，小膠質(zhì)細(xì)胞P2Y12-Gi的促進睡眠的作用信號轉(zhuǎn)導(dǎo)可能至少部分是由細(xì)胞外NE濃度的降低來介導(dǎo)的。為了檢測操縱前額葉皮質(zhì)內(nèi)的小膠質(zhì)細(xì)胞是否足以減少NE，作者進行了局部給予P2Y12受體激動劑或拮抗劑，激動劑2MeSADP的應(yīng)用，可增加小膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+。拮抗劑PSB0739引起NE信號的顯著增加，這表明小膠質(zhì)細(xì)胞可以調(diào)節(jié)藍斑神經(jīng)元軸突末端NE的釋放或再攝取，而不依賴于細(xì)胞體的峰值活性。已知腺苷可以抑制神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)節(jié)劑的釋放(包括NE)，而小膠質(zhì)細(xì)胞可以通過CD39和CD73將ATP和ADP分解為腺苷。接下來，作者測試了小膠質(zhì)細(xì)胞Gi信號通路的激活是否會影響細(xì)胞外腺苷的濃度。在表達腺苷sensor的Tmem119-CreERT2; R26-LSL-Gi-DREADD鼠的前額葉皮層進行成像，與對照組相比，CNO誘導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞Gi激活導(dǎo)致腺苷水平顯著升高。此外，應(yīng)用2-氯腺苷，一種代謝穩(wěn)定的腺苷類似物，導(dǎo)致NE水平明顯下降。以上結(jié)果表明，小膠質(zhì)細(xì)胞Gi激活對NE傳遞的抑制至少部分是由腺苷水平的增加介導(dǎo)的。
睡眠中斷被越來越多地認(rèn)為是阿爾茨海默病和其他神經(jīng)退行性病疾的一個重要危險因素，而小膠質(zhì)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)功能的喪失與睡眠-覺醒中斷和病疾進展有關(guān)。作者的發(fā)現(xiàn)表明：睡眠導(dǎo)致的小膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+的增加可以更有效地監(jiān)測和消除參與神經(jīng)退行性變的有害胞外蛋白；反之，小膠質(zhì)細(xì)胞也積極促進睡眠以維持大腦穩(wěn)態(tài)。
文章來源
https://doi.org/10.1038/s41593-023-01548-5
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