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Nat Neurosci︱小膠質細胞通過影響去甲腎上腺素的傳遞調控睡眠

睡眠通過促進多種生理過程,包括神經元活動、突觸強度和代謝廢物消除。小膠質細胞是大腦中的主要免Y細胞,具有通過調節神經元活動、修剪來維持大腦穩態的關鍵部分,消除細胞碎片和有害聚集體。睡眠與免Y系統活動相互作用,但它與小膠質細胞的特殊關系仍然知之甚少。

基于此,2024118日美國加州大學伯克利分校霍華德·休斯醫學研究所研究團隊在Nature neuroscience雜志發表了“Microglia regulate sleep through  calcium-dependent modulation of norepinephrine transmission”揭示了小膠質細胞通過鈣依賴性調節去甲腎上腺素的傳遞來調控睡眠。


作者在小鼠中發現,小膠質細胞可以通過Gi偶聯GPCRs、細胞內Ca2+信號和抑制去甲腎上腺素傳遞的機制來調節睡眠。小膠質細胞Gi信號的化學激活會強烈促進睡眠,而Gi偶聯的P2Y12受體的藥理阻斷則會減少睡眠。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。小膠質細胞Ca2+水平在自然覺醒到睡眠轉變時也升高,部分原因是去甲腎上腺素水平降低。此外,小膠質細胞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的。這些結果表明,小膠質細胞可以通過與去甲腎上腺素傳遞的相互作用來調節睡眠。


為了檢測小膠質細胞中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,接下來檢測在家籠中自由活動的小鼠的睡眠-覺醒狀態,并根據腦電圖和肌電圖記錄對清醒和睡眠狀態進行分類。與注射生理鹽水的對照小鼠相比,化學激活小膠質細胞Gi信號可顯著增加非快速眼動睡眠和降低清醒狀態。為了檢測P2Y12受體介導的內源性Gi信號是否在睡眠-覺醒調節中發揮作用,在側腦室內注射PSB0739,一種選擇性的P2Y12受體拮抗劑,發現PSB0739導致非快速眼動睡眠顯著減少,清醒增加。相反,側腦室注射激活P2Y12受體激動劑2MeSADP增加了給藥發作的持續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維持有重要作用。


Gi的激活還可導致體外小膠質細胞內Ca2+的增加,前額葉皮層可能通過與多個覺醒促進神經調節中心的相互聯系參與了大腦狀態調節,于是作者對在小膠質細胞中特異性表達Gi-DREADDGcaMP6的小鼠前額葉皮質進行了雙光子成像。CNO誘導的Gi激活導致小膠質細胞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,促進小膠質細胞Ca2+的增加。作者比較靜脈注射前后Ca2+活性,發現CNO的影響仍然明顯,說明Ca2+的增加不僅僅是腦狀態變化的間接影響。與生理鹽水對照組相比,注射CNOCa2+的振幅和頻率均顯著增加,且對小膠質細胞過程的影響較強。除了Gi信號的化學遺傳學激活,前額葉皮質局部應用P2Y12激動劑2MeSADP引起小膠質細胞Ca2+活動增加,盡管2MeSADP也可能激活P2Y1P2Y13,可以發揮協同或對小膠質細胞不同的影響功能。

作者進一步探究小膠質細胞是否有Ca2+信號反過來可以調節網元的傳輸,CNO誘導Gi小膠質細胞的激活導致皮質細胞外NE濃度明顯降低,表明NE傳遞與小膠質細胞Ca2+之間存在相互拮抗關系信號。鑒于NE在促進清醒方面的作用,小膠質細胞P2Y12-Gi的促進睡眠的作用信號轉導可能至少部分是由細胞外NE濃度的降低來介導的。為了檢測操縱前額葉皮質內的小膠質細胞是否足以減少NE,作者進行了局部給予P2Y12受體激動劑或拮抗劑,激動劑2MeSADP的應用,可增加小膠質細胞Ca2+。拮抗劑PSB0739引起NE信號的顯著增加,這表明小膠質細胞可以調節藍斑神經元軸突末端NE的釋放或再攝取,而不依賴于細胞體的峰值活性。已知腺苷可以抑制神經遞質和神經調節劑的釋放(包括NE),而小膠質細胞可以通過CD39CD73ATPADP分解為腺苷。接下來,作者測試了小膠質細胞Gi信號通路的激活是否會影響細胞外腺苷的濃度。在表達腺苷sensorTmem119-CreERT2; R26-LSL-Gi-DREADD鼠的前額葉皮層進行成像,與對照組相比,CNO誘導的小膠質細胞Gi激活導致腺苷水平顯著升高。此外,應用2-氯腺苷,一種代謝穩定的腺苷類似物,導致NE水平明顯下降。以上結果表明,小膠質細胞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。

睡眠中斷被越來越多地認為是阿爾茨海默病和其他神經退行性病疾的一個重要危險因素,而小膠質細胞穩態功能的喪失與睡眠-覺醒中斷和病疾進展有關。作者的發現表明:睡眠導致的小膠質細胞Ca2+的增加可以更有效地監測和消除參與神經退行性變的有害胞外蛋白;反之,小膠質細胞也積極促進睡眠以維持大腦穩態。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41593-023-01548-5


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