闪烁的星形脑细胞可能掌握着我们为什么睡觉、如何睡觉的关键

今天发表在杂志上的一项新研究当代生物学这表明被称为星形胶质细胞的星形脑细胞对睡眠的调节可能与神经元(大脑的神经细胞)一样重要。

这项研究由华盛顿州立大学埃尔森·s·弗洛伊德医学院的研究人员领导，为最终解决我们为什么睡觉以及睡眠如何在大脑中工作的谜团提供了新的动力。这一发现也为未来可能的治疗策略奠定了基础睡眠障碍神经系统疾病和其他与睡眠问题有关的疾病，如创伤后应激障碍、抑郁症、阿尔茨海默病和自闭症谱系障碍。

“我们对睡眠的了解主要基于神经元，”第一作者、博士后研究助理阿什利·英吉奥西说。她解释说，神经元通过电信号可以通过脑电图(EEG)轻易捕捉到的信息。星形胶质细胞是一种与神经元相互作用的胶质(或“胶水”)细胞，它不使用电信号，而是使用一种称为“神经胶质”的过程钙通过信号来控制它们的活动。

长期以来，人们一直认为星形胶质细胞——其数量是神经元的五倍——只是起到了支持作用，没有直接参与行为和过程。神经科学家最近才开始仔细研究它们在各种过程中的潜在作用。Ingiosi说，虽然有一些研究暗示星形胶质细胞可能在睡眠中发挥作用，但直到最近才有可靠的科学工具来研究它们的钙活性。

为了深入研究星形胶质细胞在睡眠中的作用，她和她的合著者使用啮齿动物模型来记录星形胶质细胞在睡眠和清醒期间以及睡眠剥夺后的钙活性。他们使用了一种荧光钙指示器，通过微型头戴式显微镜直接观察小鼠的大脑，当它们像正常情况下一样移动和行为时。这一指标使研究小组能够在睡眠和清醒状态下观察到星形胶质细胞中钙驱动的荧光活动忽明忽暗。他们使用这些微型显微镜的独一无二的方法使研究小组首次对自由行为的动物在睡眠中星形胶质细胞的钙活性进行了研究。

研究小组着手回答两个主要问题:星形胶质细胞会像神经元一样在睡眠和清醒状态下动态变化吗?星形胶质细胞是否在调节睡眠需求，我们的自然睡眠驱动力中发挥作用?

他们观察了额叶皮层的星形胶质细胞，这是大脑的一个区域，与睡眠需求的可测量脑电图变化相关，他们发现星形胶质细胞的活动在睡眠-觉醒周期中动态变化，就像神经元一样。他们还观察到，在休息阶段开始时钙活性最高——此时睡眠需求最大——而在测试阶段结束时钙活性最低，此时睡眠需求已经消失。

接下来，他们让小鼠在正常休息阶段的前6个小时保持清醒，并观察钙活性与睡眠中脑电图慢波活动的平行变化，这是睡眠需求的关键指标。也就是说，他们发现睡眠不足会导致星形胶质细胞小鼠睡眠后钙活性下降。

他们的下一个问题是基因操纵星形胶质细胞钙活性是否会影响睡眠调节。为了找到答案，他们研究了星形胶质细胞中选择性缺乏一种被称为STIM1的蛋白质的小鼠，这种蛋白质减少了可用钙的数量。在睡眠被剥夺后，这些小鼠的睡眠时间和困乏程度不如正常小鼠，这进一步证实了早期的研究结果，即星形胶质细胞在调节睡眠需求方面发挥着重要作用。

最后，他们验证了星形胶质细胞钙活性仅仅反映神经元电活动的假设。研究表明，神经元的电活动在非快速眼动睡眠期间和睡眠剥夺后变得更加同步，但研究人员发现星形胶质细胞的情况正好相反，钙活动在非快速眼动睡眠期间和之后变得不那么同步睡眠不足．

“这向我们表明，星形胶质细胞不只是被动地跟随神经元的引导，”Ingiosi说。“而且因为他们不一定表现出与男性相同的活动模式神经元这实际上可能意味着星形胶质细胞在调节睡眠和睡眠需求方面发挥了更直接的作用。”

Ingiosi说，需要更多的研究来进一步阐明星形胶质细胞在睡眠和睡眠调节中的作用。她计划研究星形胶质细胞的钙活动在大脑的其他部分被证明对睡眠和清醒很重要。此外，她还想研究星形胶质细胞与大脑中不同神经递质的相互作用，以开始梳理星形胶质细胞驱动睡眠和睡眠需求的机制。

资深作者、生物医学教授马科斯·弗兰克说:“我们的研究结果表明，100多年来我们可能一直在错误的地方寻找。”“它提供了强有力的证据，证明我们应该以星形胶质细胞为目标，来了解我们为什么和如何睡眠，以及开发可以帮助患有睡眠障碍和其他涉及睡眠异常的健康状况的人的治疗方法。”

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