睡眠通過(guò)促進(jìn)多種生理過(guò)程，包括神經(jīng)元活動(dòng)、突觸強度和代謝廢物消除。小膠質(zhì)細胞是大腦中的主要免Y細胞，具有通過(guò)調節神經(jīng)元活動(dòng)、修剪來(lái)維持大腦穩態(tài)的關(guān)鍵部分，消除細胞碎片和有害聚集體。睡眠與免Y系統活動(dòng)相互作用，但它與小膠質(zhì)細胞的特殊關(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)細胞通過(guò)鈣依賴(lài)性調節去甲腎上腺素的傳遞來(lái)調控睡眠。
作者在小鼠中發(fā)現，小膠質(zhì)細胞可以通過(guò)Gi偶聯(lián)GPCRs、細胞內Ca2+信號和抑制去甲腎上腺素傳遞的機制來(lái)調節睡眠。小膠質(zhì)細胞Gi信號的化學(xué)激活會(huì )強烈促進(jìn)睡眠，而Gi偶聯(lián)的P2Y12受體的藥理學(xué)阻斷則會(huì )減少睡眠。雙光子成像顯示，P2Y12-Gi的激活提高了小膠質(zhì)細胞內的Ca2+，而阻斷這種Ca2+的升高在很大程度上消除了Gi誘導的睡眠增加。小膠質(zhì)細胞Ca2+水平在自然覺(jué)醒到睡眠轉變時(shí)也升高，部分原因是去甲腎上腺素水平降低。此外，小膠質(zhì)細胞P2Y12-Gi激活顯著(zhù)降低了去甲腎上腺素水平，部分是通過(guò)增加腺苷濃度實(shí)現的。這些結果表明，小膠質(zhì)細胞可以通過(guò)與去甲腎上腺素傳遞的相互作用來(lái)調節睡眠。
為了檢測小膠質(zhì)細胞中Gi信號的激活是否影響睡眠，作者將Tmem119-CreERT2小鼠與cre誘導hM4DiGi-DREADD小鼠雜交，接下來(lái)檢測在家籠中自由活動(dòng)的小鼠的睡眠-覺(jué)醒狀態(tài)，并根據腦電圖和肌電圖記錄對清醒和睡眠狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)。與注射生理鹽水的對照小鼠相比，化學(xué)激活小膠質(zhì)細胞Gi信號可顯著(zhù)增加非快速眼動(dòng)睡眠和降低清醒狀態(tài)。為了檢測P2Y12受體介導的內源性Gi信號是否在睡眠-覺(jué)醒調節中發(fā)揮作用，在側腦室內注射PSB0739，一種選擇性的P2Y12受體拮抗劑，發(fā)現PSB0739導致非快速眼動(dòng)睡眠顯著(zhù)減少，清醒增加。相反，側腦室注射激活P2Y12受體激動(dòng)劑2MeSADP增加了給藥發(fā)作的持續時(shí)間非快速眼動(dòng)睡眠。因此，P2Y12受體信號通路對非快速眼動(dòng)睡眠的維持有重要作用。
Gi的激活還可導致體外小膠質(zhì)細胞內Ca2+的增加，前額葉皮層可能通過(guò)與多個(gè)覺(jué)醒促進(jìn)神經(jīng)調節中心的相互聯(lián)系參與了大腦狀態(tài)調節，于是作者對在小膠質(zhì)細胞中特異性表達Gi-DREADD和GcaMP6的小鼠前額葉皮質(zhì)進(jìn)行了雙光子成像。CNO誘導的Gi激活導致小膠質(zhì)細胞Ca2+活性的強烈增加，而生理鹽水注射沒(méi)有顯著(zhù)影響。值得注意的是，CNO誘導的Gi激活也增加了NREM睡眠，這可能與Gi激活的直接影響分開(kāi)，促進(jìn)小膠質(zhì)細胞Ca2+的增加。作者比較靜脈注射前后Ca2+活性，發(fā)現CNO的影響仍然明顯，說(shuō)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(zhù)增加，且對小膠質(zhì)細胞過(guò)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)局部應用P2Y12激動(dòng)劑2MeSADP引起小膠質(zhì)細胞Ca2+活動(dòng)增加，盡管2MeSADP也可能激活P2Y1和P2Y13，可以發(fā)揮協(xié)同或對小膠質(zhì)細胞不同的影響功能。
作者進(jìn)一步探究小膠質(zhì)細胞是否有Ca2+信號反過(guò)來(lái)可以調節網(wǎng)元的傳輸，CNO誘導Gi小膠質(zhì)細胞的激活導致皮質(zhì)細胞外NE濃度明顯降低，表明NE傳遞與小膠質(zhì)細胞Ca2+之間存在相互拮抗關(guān)系信號。鑒于NE在促進(jìn)清醒方面的作用，小膠質(zhì)細胞P2Y12-Gi的促進(jìn)睡眠的作用信號轉導可能至少部分是由細胞外NE濃度的降低來(lái)介導的。為了檢測操縱前額葉皮質(zhì)內的小膠質(zhì)細胞是否足以減少NE，作者進(jìn)行了局部給予P2Y12受體激動(dòng)劑或拮抗劑，激動(dòng)劑2MeSADP的應用，可增加小膠質(zhì)細胞Ca2+。拮抗劑PSB0739引起NE信號的顯著(zhù)增加，這表明小膠質(zhì)細胞可以調節藍斑神經(jīng)元軸突末端NE的釋放或再攝取，而不依賴(lài)于細胞體的峰值活性。已知腺苷可以抑制神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調節劑的釋放(包括NE)，而小膠質(zhì)細胞可以通過(guò)CD39和CD73將ATP和ADP分解為腺苷。接下來(lái)，作者測試了小膠質(zhì)細胞Gi信號通路的激活是否會(huì )影響細胞外腺苷的濃度。在表達腺苷sensor的Tmem119-CreERT2; R26-LSL-Gi-DREADD鼠的前額葉皮層進(jìn)行成像，與對照組相比，CNO誘導的小膠質(zhì)細胞Gi激活導致腺苷水平顯著(zhù)升高。此外，應用2-氯腺苷，一種代謝穩定的腺苷類(lèi)似物，導致NE水平明顯下降。以上結果表明，小膠質(zhì)細胞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的。
睡眠中斷被越來(lái)越多地認為是阿爾茨海默病和其他神經(jīng)退行性病疾的一個(gè)重要危險因素，而小膠質(zhì)細胞穩態(tài)功能的喪失與睡眠-覺(jué)醒中斷和病疾進(jìn)展有關(guān)。作者的發(fā)現表明：睡眠導致的小膠質(zhì)細胞Ca2+的增加可以更有效地監測和消除參與神經(jīng)退行性變的有害胞外蛋白；反之，小膠質(zhì)細胞也積極促進(jìn)睡眠以維持大腦穩態(tài)。
文章來(lái)源
https://doi.org/10.1038/s41593-023-01548-5
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