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闪光与睡眠之间,皮层腺苷接上了线索

Cell research · 2024-02-08

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Cell research · 研究前沿

闪光与睡眠之间,皮层腺苷接上了线索

小鼠研究将闪光后的腺苷变化、ENT2转运与睡眠增加联系起来;49名儿童的两晚自身对照观察也出现睡眠变化,提供了仍待验证的临床线索。

根据论文主题制作的 AI 科学概念插画

光通常让人联想到清醒,某种节律的闪光却可能带来不同结果。2024年发表于 Cell Research 的研究,追踪闪光刺激后的小鼠大脑,发现初级视觉皮层(V1)中的腺苷信号升高,并在刺激结束后继续维持。腺苷与能量代谢、睡眠需求有紧密联系,这个变化让团队把视觉刺激、细胞代谢与睡眠放在同一条线索上。研究还报告了儿童睡眠的初步观察,但动物机制与人群结果来自不同层次的证据。

关键发现

受测40 Hz闪光后,小鼠V1腺苷信号和随后睡眠增加;缺失ENT2或移除V1神经元后,睡眠增加不再出现。儿童两晚前后比较显示入睡更快、睡眠总量增加,但仍是初步自身对照结果。

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闪光停下后,腺苷信号仍在延续

团队在多个脑区观察细胞外腺苷相关荧光。V1与上丘的增加较明显,其他受测区域变化较小,背内侧纹状体几乎没有增加。V1信号在闪光结束后还会继续升高,持续数小时才回到原来水平。

在比较的频率中,40 Hz引起更大、更持久的腺苷响应,而更快闪光带来的神经元钙响应反而更强。细胞活动的幅度与腺苷变化并不简单对应,节律、网络活动和代谢可能共同影响结果。

原论文图 1闪光停下后,腺苷信号仍在延续
闪光停下后,腺苷信号仍在延续
原论文 Figure 1:多脑区腺苷响应及频率比较;受测腺苷变化与神经元钙信号幅度呈现不同特点。
来源:Zhou X et al. · Cell research · CC BY
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神经元参与,胶质细胞的受测干预未改变结果

移除V1神经元后,闪光相关腺苷增加明显减弱。分别减少谷氨酸能或GABA能细胞,也削弱这一响应。结果支持局部神经元网络参与,而兴奋与抑制细胞之间的配合,可能同样影响信号的产生。

另一种干预部分压低星形胶质细胞的钙响应,腺苷增加却未显著改变。这里呈现的是这一受测干预的结果,与移除神经元的实验共同帮助定位闪光后的细胞环节。

原论文图 2神经元参与,胶质细胞的受测干预未改变结果
神经元参与,胶质细胞的受测干预未改变结果
原论文 Figure 2:神经元群体减少削弱腺苷响应;部分抑制星形胶质细胞钙活动未显著改变受测腺苷增加。
来源:Zhou X et al. · Cell research · CC BY
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腺苷从细胞内部走向外部

腺苷可以由细胞外的ATP分解形成,也可以先在细胞内部产生再输出。缺失相关细胞外转化酶CD73,小鼠仍保留明显腺苷响应;阻断核苷转运后,细胞外信号却大幅减弱,组织总腺苷增加仍在。

进一步比较两类转运体,ENT1缺失后仍有持续响应,后期幅度有所降低;ENT2缺失则使响应大幅削弱。细胞内生成与跨膜输出,由此成为解释这份持久变化的两个相连环节。

原论文图 3腺苷从细胞内部走向外部
腺苷从细胞内部走向外部
原论文 Figure 3:细胞外转化与核苷转运相关比较,支持ENT2参与持续的细胞外腺苷增加。
来源:Zhou X et al. · Cell research · CC BY
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能量活动,在代谢物中留下痕迹

不同取样时点的V1组织中,腺苷、ADP和AMP等代谢物出现变化,ATP总量却未显著下降。能量使用之后的分解与补充可以并行,组织总量因此不一定直接反映每一刻的消耗速度。

AMPK相关表达与磷酸化也发生变化,提供了能量代谢参与的线索。研究据此把腺苷增加与ATP逐步代谢联系起来;这些组织观察描绘了代谢状态,尚未单独检验AMPK是否决定睡眠效应。

原论文图 4能量活动,在代谢物中留下痕迹
能量活动,在代谢物中留下痕迹
原论文 Figure 4:V1组织代谢物、相关基因表达与AMPK磷酸化变化,为能量代谢关联提供证据。
来源:Zhou X et al. · Cell research · CC BY
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睡眠增加,取决于受测节律和时间

在明期末段接受闪光的小鼠,随后暗期开始的数小时内,非REM与REM睡眠增加。相同频率在明期早段未出现同样效果,受测其他频率也未带来相同的睡眠增加,显示情境和时间的重要性。

睡眠总量增加,并未伴随受测睡眠脑电功率密度的显著改变。记录因此区分了睡了多久与睡眠信号的谱特征,而没有把两者合成一个笼统的“睡得更深”。

原论文图 5睡眠增加,取决于受测节律和时间
睡眠增加,取决于受测节律和时间
原论文 Figure 5:闪光后睡眠总量及频率比较;受测睡眠脑电功率密度未显著改变。
来源:Zhou X et al. · Cell research · CC BY
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ENT2缺失,睡眠增加也随之消失

ENT2缺失小鼠不再表现出闪光后的非REM睡眠增加,所测时间窗内反而少于普通光条件。ENT1缺失小鼠中,睡眠增加仍然存在。两类转运体的差别,把细胞外腺苷变化与睡眠结果联系得更紧。

这里比较的是转运体缺失动物,反映整个动物条件下的变化。结合V1局部记录,它支持ENT2相关腺苷输出参与这一效应,也引导研究继续追问视觉皮层本身的作用。

原论文图 6ENT2缺失,睡眠增加也随之消失
ENT2缺失,睡眠增加也随之消失
原论文 Figure 6:ENT2缺失后睡眠增加消失,受测非REM总量反而降低;ENT1缺失后仍保留增加。
来源:Zhou X et al. · Cell research · CC BY
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视觉皮层,不只是把光送进大脑

移除V1神经元后,闪光引起的睡眠增加消失;上丘神经元减少后,受测非REM增加仍出现。虽然两个区域都观察到腺苷响应,它们在这组睡眠实验中的结果并不相同。

直接抑制V1神经元,或在V1局部提高腺苷,也可增加受测睡眠。视觉皮层的活动状态因此进入睡眠调节的故事,而具体由哪类腺苷受体承接这份变化,仍是机制上的下一环。

原论文图 7视觉皮层,不只是把光送进大脑
视觉皮层,不只是把光送进大脑
原论文 Figure 7:V1神经元消融、局部抑制及腺苷相关干预支持视觉皮层参与;上丘消融组仍出现受测睡眠增加。
来源:Zhou X et al. · Cell research · CC BY
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儿童观察带来临床线索,证据仍在起步

49名有失眠症状的儿童接受连续两晚记录,第一晚作为自身基线,第二晚包含闪光刺激。第二晚入睡等待时间缩短,睡眠总量和效率提高,入睡后的清醒时间减少;夜间觉醒次数及浅睡、深睡比例未显著改变,REM比例增加。

这是两晚先后比较的自身对照研究,未设置随机假刺激对照,长期效果尚未评估。它提供临床线索,而动物工作更具体地揭示:视觉刺激后的能量代谢与腺苷输出,可以参与随后睡眠的变化。

原论文图 8儿童观察带来临床线索,证据仍在起步
儿童观察带来临床线索,证据仍在起步
原论文 Figure 8:儿童两晚自身对照中的睡眠变化;觉醒次数、浅睡及深睡比例未显著改变。
来源:Zhou X et al. · Cell research · CC BY
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论文信息

Zhou X, He Y, Xu T, Wu Z, Guo W, Xu X, Liu Y, Zhang Y, Shang H, Huang L, Yao Z, Li Z, Su L, Li Z, Feng T, Zhang S, Monteiro O, Cunha RA, Huang ZL, Zhang K, Li Y, Cai X, Qu J, Chen JF.
40 Hz light flickering promotes sleep through cortical adenosine signaling
Cell research · 2024-02-08
DOI: 10.1038/s41422-023-00920-1