小膠質細胞對大腦的穩態和免疫功能有很重要的影響，但它們在調節警覺性方面的作用尚不清楚。越來越多的證據表明小膠質細胞活動與睡眠/清醒狀態存在相關性。但小膠質細胞如何調節睡眠/清醒狀態之間的切換仍然未知。

2021年7月，來美國紐約石溪大學神經生物學和行為學系研究團隊在 Nature Communications （IF= 14.912）上發表題為《Microglia modulate stable wakefulness via the thalamic reticular nucleus in mice》的研究文章，采用遺傳、生理學和全譜代謝組的方法探討小膠質細胞參與調節清醒和睡眠的作用機制。本研究發現小膠質細胞可以通過神經酰胺信號傳導調節aTRN 神經元調控睡眠/清醒的狀態切換。

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研究材料：

正常對照組（清醒狀態/睡眠狀態）和小膠質細胞耗竭組（清醒狀態/睡眠狀態）小鼠皮層下區域腦組織

技術方法：全譜非靶向代謝組

實驗路線圖：

?? 步驟1：明確小膠質細胞對清醒/睡眠狀態的調節作用

?? 步驟2：非靶向代謝組揭示清醒/睡眠狀態下睡眠相關腦組織差異表達的代謝物質

?? 步驟3：脂質層面驗證神經酰胺在小膠質細胞耗竭下對清醒程度的調節效果

?? 步驟4：明確丘腦網狀核（TRN）區域的小膠質細胞對清醒程度的調節作用

?? 步驟5：進一步揭示小膠質細胞通過向 aTRN 神經元傳遞神經酰胺信號來調節清醒程度

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研究結果：

1、 小膠質細胞耗竭通過增加清醒和睡眠之間的轉換來降低清醒程度

為了明確小膠質細胞對清醒/睡眠的調節作用，作者通過轉基因重組聯合藥物制作了小膠質細胞消耗的小鼠模型，并發現小膠質細胞耗竭的小鼠表現出總清醒持續時間減少和總非快速動眼睡眠持續時間增加。并通過設置對照組明確了是小膠質細胞耗竭，而不是模型制備中相關藥物影響了清醒和睡眠時間的調節?？傊?b>小膠質細胞耗竭可以降低小鼠清醒狀態。

圖1 小膠質細胞對于穩定清醒至關重要

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2、清醒期小鼠皮層區腦組織中神經酰胺的表達水平顯著低于睡眠期

為了探索小膠質細胞如何調節清醒穩定性，作者先對親水性代謝物進行代謝組分析。共有 155 種代謝物在睡眠期和清醒期表現出顯著差異。其中一種生物活性脂質神經酰胺，在清醒期顯示出較低的濃度，而睡眠剝奪 12 小時后神經酰胺含量顯著增加，表明神經酰胺隨著睡眠驅動的增強而增加。這些結果表明神經酰胺與睡眠驅動呈正相關，其可能通過促進睡眠來影響清醒穩定性。

圖2 神經酰胺的晝夜節律變化與睡眠-覺醒行為相關

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3、小膠質細胞耗竭消除了調節穩定覺醒的神經酰胺信號的晝夜變化

研究人員根據已發現神經酰胺的濃度變化，進一步對于腦組織的整體代謝譜圖進行了描繪，對同樣本補充了脂質組學分析。發現對照小鼠的總神經酰胺濃度在清醒時低于睡眠時。然而，在小膠質細胞耗盡的小鼠中，這種差異被消除了。因此，小膠質細胞可能是大腦晝夜神經酰胺波動的重要調節器。

圖3 神經酰胺介導的小膠質細胞對穩定覺醒的調節

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4、TRN小膠質細胞的局部消耗降低了小鼠的清醒程度

為進一步檢查參與清醒調節的小膠質細胞-神經酰胺調控神經回路，研究人員對大腦區域中的小膠質細胞進行形態學分析，Acer3^-/-小鼠中的小膠質細胞在TRN 區域具有更高的 Iba1 表達和更短的過程。表明 TRN 可能是小膠質細胞介導的清醒穩定性調節的重要區域。

圖4 TRN小膠質細胞對腦神經酰胺的高敏感性

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5、小膠質細胞通過向 aTRN 神經元傳遞神經酰胺信號來調節清醒程度

進一步研究顯示小膠質細胞在前 TRN (aTRN) 中局部耗竭的小鼠表現出夜間清醒持續時間減少。正常小鼠的 aTRN 神經元在夜間顯示出比白天更高的平均放電率。而小膠質細胞耗竭小鼠的 aTRN 神經元放電能力受到抑制。同時發現一大群 aTRN 神經元從清醒到睡眠的放電率顯著降低，而從睡眠到清醒的放電率增加。而小膠質細胞耗竭降低了清醒期間的 aTRN 神經元活動。這些結果說明小膠質細胞可能通過向 aTRN 神經元傳遞神經酰胺信號來調節穩定的清醒。

圖5 aTRN 神經元活動控制清醒和睡眠之間的轉換

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小編小結：

本研究通過非靶代謝組發現調節分子線索，并通過脂質層面進行驗證，描繪了全面的代謝譜圖，最終發現神經酰胺是小膠質細胞調節睡眠/清醒的關鍵活性物質。進一步研究明確了小膠質細胞可以通過神經酰胺調節aTRN神經元活動進而控制清醒和睡眠狀態之間的轉換。大腦神經酰胺水平在不同的生理和病理條件下存在顯著變化，本研究為衰老和其他病理條件下清醒受損治療提供了新的思路。

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