星形膠質(zhì)細(xì)胞在調(diào)節(jié)睡眠-覺(jué)醒行為中起著至關(guān)重要的作用。然而，星形膠質(zhì)細(xì)胞如何控制特定的睡眠喚醒回路仍然未知。近日，浙江大學(xué)腦科學(xué)與腦醫(yī)學(xué)學(xué)院段樹(shù)民院士、虞燕琴教授在國(guó)際知名期刊Advanced Science(IF 14.3) 上發(fā)表了題為“Adenosine‐Dependent Arousal Induced by Astrocytes in a Brainstem Circuit”的研究成果。文章揭示了腦干面神經(jīng)旁核（面旁區(qū)）PZ內(nèi)的星形膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)胞外腺苷促進(jìn)和維持覺(jué)醒的獨(dú)特作用，并在神經(jīng)環(huán)路水平闡明了其潛在機(jī)制。
AAV2/5-GfaABC1D-hPMCA2w/b-mCherry注射PZ的表達(dá)效果
AAV2/9-hsyn-GRABAdo1.0 注射PZ的表達(dá)效果
AAV2/5-GfaABC1D-ChrimsonR-mCherry注射PZ的表達(dá)效果
01研究結(jié)果
1、PZ星形膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+活性是維持清醒所必需的
根據(jù)不間斷的纖維光度記錄，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)PZ星形膠質(zhì)細(xì)胞表現(xiàn)出狀態(tài)依賴性的Ca2+活動(dòng)，伴隨著從睡眠到清醒的轉(zhuǎn)變而激增；利用化學(xué)遺傳學(xué)激活星形膠質(zhì)細(xì)胞，證實(shí)其在維持覺(jué)醒狀態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。為了以更精確的時(shí)間分辨率研究PZ星形膠質(zhì)細(xì)胞與睡眠-覺(jué)醒行為之間的直接關(guān)系，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了星形膠質(zhì)細(xì)胞靶向的ChR2表達(dá)大鼠（GFAP-ChR2-EYFP）,光遺傳刺激能使非快速眼動(dòng)和快速眼動(dòng)睡眠快速過(guò)渡到清醒狀態(tài)。隨后探討了星形膠質(zhì)細(xì)胞的喚醒誘導(dǎo)作用是否隨晝夜節(jié)律的變化而變化，值得注意的是，不同狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的概率在不活躍期（IP）和活躍期（AP）之間保持一致。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明PZ星形膠質(zhì)細(xì)胞在啟動(dòng)和維持覺(jué)醒中起著至關(guān)重要的作用。接下來(lái)，將AAV2/5-ChrimsonR分別單側(cè)注射到小鼠的PZ、BF和LH并在不同的警覺(jué)性狀態(tài)下進(jìn)行光刺激，觀察發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞的激活促進(jìn)了PZ和LH的覺(jué)醒，但對(duì)BF的睡眠-覺(jué)醒調(diào)節(jié)沒(méi)有顯著影響。通過(guò)將AAV2/5-hPMCA2w/b注射到PZ以降低星形膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+活性，觀察到在AP期間清醒時(shí)間顯著減少，且伴隨著NREM睡眠的增加；此外NREM睡眠和清醒之間的轉(zhuǎn)換有明顯的激增，表明PZ星形膠質(zhì)細(xì)胞主要通過(guò)阻礙從清醒到睡眠的過(guò)渡來(lái)維持清醒。
hPMCA2w/b抑制PZ星形細(xì)胞Ca2+活性減少清醒
2、腺苷可通過(guò)ATP水解激活星形細(xì)胞產(chǎn)生，并通過(guò)A1受體發(fā)揮促醒作用
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探討喚醒和維持清醒的分子介質(zhì)，將編碼GRABAdo1.0的AAV注射到PZ的一側(cè)以測(cè)量細(xì)胞外空間的腺苷水平，而將GCaMP6f注射到另一側(cè)以同時(shí)記錄腺苷水平和睡眠-覺(jué)醒周期中的星形膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+活性。結(jié)果顯示從非快速眼動(dòng)或快速眼動(dòng)睡眠過(guò)渡到清醒狀態(tài)后腺苷水平也出現(xiàn)了類似的激增，此外腺苷在清醒時(shí)達(dá)到峰值，在快速眼動(dòng)睡眠時(shí)降至最低水平。進(jìn)一步探索發(fā)現(xiàn)星形細(xì)胞Ca2+活性和腺苷動(dòng)力學(xué)在整個(gè)睡眠覺(jué)醒周期之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，表明清醒時(shí)星形細(xì)胞Ca2+活性的增加與PZ細(xì)胞外腺苷的增加有關(guān)。分析顯示腺苷A1受體在PZ內(nèi)具有穩(wěn)定的分布，并在星形膠質(zhì)細(xì)胞誘導(dǎo)的覺(jué)醒中起著關(guān)鍵作用，隨后研究了在星形膠質(zhì)細(xì)胞誘導(dǎo)覺(jué)醒過(guò)程中ATP在腺苷生成中的作用，結(jié)果表明星形膠質(zhì)細(xì)胞在PZ中的激活主要通過(guò)ATP水解產(chǎn)生腺苷，腺苷通過(guò)PZ中的A1受體發(fā)揮促醒作用。
ATP水解產(chǎn)生的腺苷通過(guò)與A1受體結(jié)合發(fā)揮促醒作用
3、PZ的腺苷升高主要由星形膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+活性驅(qū)動(dòng)
通過(guò)混合注射ChrimsonR和GRABAdo1.0，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)量了PZ星形膠質(zhì)細(xì)胞光遺傳激活后的實(shí)時(shí)胞外腺苷變化。在非快速眼動(dòng)、快速眼動(dòng)睡眠和清醒期間，星形膠質(zhì)細(xì)胞的單獨(dú)刺激一致地導(dǎo)致了光遺傳激活后腺苷水平的顯著上升，采用hPMCA2w/b /GRABAdo1.0、mCherry /GRABAdo1.0作為對(duì)照，在PZ進(jìn)行實(shí)時(shí)雙側(cè)腺苷纖維光度法記錄，顯示hPMCA2w/b對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞的抑制導(dǎo)致腺苷水平顯著降低。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)支持星形膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+活性與細(xì)胞外腺苷之間的因果關(guān)系，突出了星形膠質(zhì)細(xì)胞激活在睡眠-覺(jué)醒周期中腺苷生成的關(guān)鍵和不可或缺的作用。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)PZ星形膠質(zhì)細(xì)胞激活后，PB中GABA釋放顯著下降，表明PZ星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)PB投射的PZGABA神經(jīng)元具有關(guān)鍵的抑制作用，而PZGABA神經(jīng)元被證明具有NREM睡眠促進(jìn)作用。
位于PZ的星形膠質(zhì)細(xì)胞在清醒時(shí)顯著促進(jìn)腺苷水平的升高
02 研究結(jié)論
本研究闡明PZ內(nèi)星形膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)胞外腺苷在回路水平上具有獨(dú)特的喚醒促進(jìn)作用，這超出了腺苷在調(diào)節(jié)BF和皮層睡眠穩(wěn)態(tài)中的傳統(tǒng)作用，揭示了星形膠質(zhì)細(xì)胞可能通過(guò)不同的機(jī)制對(duì)睡眠和覺(jué)醒施加特定區(qū)域的影響。