基底前脑星形胶质细胞对胆碱能神经元与睡眠-觉醒行为的调控作用

Sleep disturbances is a devastating disease and social problem which cause many other physical and psychiatric disease. The basal forebrain (BF) was known to be a crucial wake-promoting construction, but the role of BF astrocytes in regulating sleep-wake behavior is still unclear. Our preliminary results showed that BF cholinergic neurons contribute to inhibit electroencephalogram delta activity and decrease the depth of sleep. In this proposal, we will use novel chemogenetics to explore the role of BF astrocytes in regulating BF cholinergic neurons and sleep-wake behavior. Firstly, we plan to investigate the effects of cell-selective activation (or inhibition) of BF astrocytes on the c-Fos expression and electrophysiology of BF cholinergic neurons, to illustrate the regulation of BF astrocytes on cholinergic neurons. Subsequently, we plan to investigate the effects of activation (or inhibition) of BF astrocytes on the amount of NREM sleep, continuity of NREM sleep, and electroencephalogram delta activity, to illustrate the regulation of BF astrocytes on sleep-wake behavior. Finally, after the deletion of BF cholinergic neurons or knock-down of A1 receptor in BF cholinergic neurons, we investigate the effects of activating BF astrocytes on sleep-wake behavior, to clarify the mechanism BF astrocytes regulating sleep-wake behavior. We believe our results will illustrate the role of BF astrocytes in regulating sleep-wake behavior and clarify relevant mechanism. We hope our innovative study would advance the prevention, diagnosis and therapy of sleep disorder.

睡眠障碍是严重的医学及社会问题。基底前脑是关键的觉醒结构，但基底前脑星形胶质细胞在睡眠-觉醒调节中的作用仍不明确。本项目前期利用化学遗传学技术特异调控基底前脑胆碱能神经元，发现胆碱能神经元的主要作用是抑制脑电delta波活动、降低睡眠深度。我们计划进一步研究基底前脑星形胶质细胞对胆碱神经元以及睡眠-觉醒行为的调控作用。本项目拟通过观察激活（或抑制）基底前脑星形胶质细胞对胆碱神经元电活动与c-Fos蛋白表达的影响，说明其对胆碱神经元的抑制作用。通过观察激活（或抑制）基底前脑星形胶质细胞对睡眠时间、睡眠深度、睡眠稳定性的影响，说明其对睡眠的促进作用。在剔除基底前脑胆碱能神经元或下调胆碱能神经元腺苷A1受体后，通过检测激活星形胶质细胞对睡眠-觉醒行为的影响，说明基底前脑星形胶质细胞是通过腺苷A1受体抑制周围胆碱能神经元而发挥促睡眠作用。本项目研究内容具有源头创新性，可为治疗睡眠障碍提供新的靶点。

睡眠障碍是严重的医学及社会问题。之前的研究表明基底前脑是关键的觉醒结构，但基底前脑调控睡眠-觉醒行为的具体机制还不明确，尤其是基底前脑星形胶质细胞对睡眠-觉醒行为的调节作用仍有待阐明。在本研究中，我们采用新式的化学遗传学技术、光纤记录技术、光遗传技术并结合小鼠脑电/肌电记录技术，确切地说明了基底前脑星胶细胞对睡眠觉醒行为的调控作用，并初步阐明了觉醒的生理意义，以及相关的神经生物学机制。我们化学遗传学实验的结果表明，在小鼠的非活动期与活动期激活基底前脑星胶细胞可以改变动物的睡眠-觉醒行为，明显增加动物的觉醒量，减少睡眠量，并增加动物的运动量。光纤记录的实验结果表明，采用化学遗传学技术激活基底前脑星胶细胞可以升高周围神经元（比如胆碱能神经元与GABA能神经元）的钙离子水平。我们的光纤记录实验结果表明，多种促觉醒刺激（包括悬尾、吹气等应激刺激及高脂、高糖等食物刺激）不但可以明显升高基底前脑星胶细胞的钙离子水平，也可以升高BF胆碱能神经元与GABA能神经元的钙离子水平。用化学遗传学技术特异激活BF的胆碱能神经元，明显降低小鼠脑电delta波的谱能，诱导出大量的低delta波睡眠，明显降低小鼠睡眠深度，同时增加觉醒量；而特异性抑制BF胆碱能神经元则引起小鼠脑电delta波谱能明显上升，明显增加小鼠的睡眠深度，但不改变其它波段的谱能。光遗传实验结果表明，激活BF GABA能神经元向腹侧背盖章区（ventral tegmental area，VTA）的投射引起可以立即引起小鼠觉醒，维持小鼠长时间的觉醒，并促进小鼠的摄食行为。我们的结果说明基底前脑的星胶细胞在睡眠-觉醒行为的调节中发挥了重要的作用。多种促觉醒刺激可以激活基底前脑星胶细胞，该细胞可以通过活化周围的神经元（比如胆碱能神经元与GABA能神经元）而发挥促觉醒作用，并发挥摄食等神经生物学功能。这些结果提示BF星胶细胞的过度活化可能与应激刺激引起的失眠有关，该结果有望为临床治疗失眠症，特别是应激刺激导致的睡眠障碍以及伴有摄食量增加的睡眠障碍，提供新的治疗靶点与治疗思路。