导 读

在当今社会和家庭的压力下，人们的睡眠时间和质量下降日益普遍，导致了众多健康问题。最新研究表明，补觉并不能有效抵消睡眠不足的负面影响，然而具体机制尚不明确。本研究通过多种转基因小鼠模型及神经成像技术，记录了急性睡眠剥夺和随后的短期恢复性睡眠期间中枢神经系统免疫细胞-小胶质细胞形态和功能的动态变化，及其对神经元突触结构可塑性的效应，并结合全脑组织代谢组分析，揭示了睡眠不足对神经免疫调节和神经可塑性的不利影响，探讨了不规律睡眠导致神经系统疾病的潜在机制。

图1 图文摘要

在急性睡眠剥夺（ASD）和随后短时睡眠恢复（RS）期间小胶质细胞的持续性激活

在健康大脑中，静息状态小胶质细胞的形态呈多分支状，不断监测脑内微环境，并与包括神经元和星形胶质细胞在内的其他细胞相互作用。这种稳态可被外部刺激和病理生理条件所扰乱，表现为小胶质细胞的不同激活状态。本研究观察了在通过物理手段急性睡眠剥夺（图2）和随后短时恢复睡眠期间小鼠的大脑皮层、海马CA1、PoDG以及纹状体区小胶质细胞的形态和结构的动态变化（图3），发现在此期间不同脑区小胶质细胞持续发生着低水平的激活。

图2  急性睡眠剥夺（ASD）模型及整体实验设计

图3 ASD和随后的RS期间小胶质细胞的持续性激活

ASD和RS期间小胶质细胞突起活动水平的持续性降低

作为中枢神经系统的免疫细胞，小胶质细胞突起高度活跃，起到动态监控大脑微环境的作用。尽管小胶质细胞突起活动非常重要，目前对于不同生理状态下其动态变化仍知之甚少。本研究通过双光子活体成像技术连续观察了在ASD和随后RS期间小鼠躯体感觉皮层小胶质细胞突起的活动，发现了小胶质细胞突起运动能力的持续性降低（图4）。

图4 ASD和RS期间小胶质细胞突起活动水平的持续降低

ASD和RS期间小胶质细胞吞噬能力的持续性增强

小胶质细胞通过其吞噬功能参与免疫防御以及突触的修剪和重塑。为了评估ASD和随后RS期间小胶质细胞的吞噬能力，本研究动态追踪了不同脑区小胶质细胞中CD68的表达水平和定位。数据表明，与正常睡眠的对照组相比，在ASD和随后的RS期间不同脑区小胶质细胞的吞噬活性呈现持续性增强（图5）。

图5 ASD和随后的RS期间小胶质细胞吞噬能力的持续性增强

ASD和RS过程中神经元树突棘的过度丢失

研究表明，小胶质细胞的吞噬作用与神经元树突棘的修剪密切相关。为了探讨ASD和RS期间的突触结构可塑性，本研究连续评估了在ASD-RS过程中，小鼠大脑躯体感觉皮层神经元树突棘的形成和丢失情况（图6）。通过动态追踪特定神经元的树突结构，并对实时成像数据进行大量统计分析显示，在经历了不同时间ASD和RS的小鼠中，神经元树突棘新生率没有发生显著变化，而丢失率在不同时期与对照组小鼠相比显著增加。因此，在ASD和RS期间，很可能是由于小胶质细胞持续低水平激活和吞噬能力的提升，引起了神经元树突棘的过度丢失。

图6 神经元树突棘在ASD和之后RS期间的持续性丢失

ASD和RS过程中全脑代谢水平的变化

为了进一步探讨小胶质细胞持续低水平激活和吞噬能力提升的分子机制，本研究采用代谢组检测了ASD和RS对全脑代谢微环境的影响，揭示了ASD期间脑组织广泛的代谢水平变化以及RS的恢复效应（图7）。全脑中部分代谢物在RS 24h内恢复到正常水平，而仍有大量代谢物与对照组相比呈现显著差异，没有恢复到正常水平（图8）。通过对未恢复的全脑组织代谢物进行通路和功能富集分析，发现甘油磷脂代谢等重要代谢通路可能与小胶质细胞的持续性激活存在密切关系，此外，鉴定到部分与神经系统功能和疾病相关的代谢物未能在短期RS内得到有效恢复。

图7 ASD和RS期间全脑代谢水平的变化

图8 部分代谢物及代谢途径未能在补觉中得到有效恢复

总结与展望

本研究通过多种转基因荧光小鼠和神经成像技术动态追踪了睡眠不足和补觉期间中枢神经系统小胶质细胞的形态和功能变化，及其对神经可塑性的影响。鉴于小鼠是夜行性动物，在其它昼行性模式物种乃至人类中证实本研究所揭示的现象和机制将是未来研究的重要目标。然而，结合全脑代谢组学数据，研究结果有助于阐明睡眠习惯如何影响中枢神经系统的内稳态和功能。

责任编辑

何   谷    四川大学

孙宝珺    中国科学院动物研究所

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原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-life.2023.100037

本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Life第1卷第3期以Article发表的“Sustained microglial activation and accelerated elimination of dendritic spines during acute sleep deprivation and restoration” (投稿: 2023-08-30；接收: 2023-11-21；在线刊出: 2023-11-27)。

DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-life.2023.100037

引用格式：Liu J., Xu Y., Ji Y., et al., (2023). Sustained microglial activation and accelerated elimination of dendritic spines during acute sleep deprivation and restoration. The Innovation Life 1(3), 100037.

作者简介

赵海谕，兰州大学生命科学学院青年研究员，硕士生导师。本科毕业于中国海洋大学生物技术专业；硕士毕业于西北农林科技大学遗传学专业，期间曾在美国威斯康星大学麦迪逊分校联合培养；博士毕业于德国海德堡大学生物体研究中心。以第一/通讯作者在Current Biology, PLoS Genetics, The Innovation Life, iScience, Chemical Science, Free Radical Biology and Medicine, Science of the Total Environment等学术刊物上发表研究论文。主持或参与国家自然科学基金青年基金项目、甘肃省自然科学基金项目、国家重点研发计划青年科学家项目等。主要以鱼类模式动物、小鼠为模型，研究环境因素对生物体重要生理功能、神经系统结构与功能的影响及其分子、细胞机制。

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