在人類大腦中，星形膠質細胞的數量大約是神經元的 5 倍，但是學界一直認為這類細胞主要起到支持作用。如今，藉助新的研究工具，研究者們才得以觀察星形膠質細胞的活動，發現它們在調節睡眠方面可能和神經元同樣重要。研究資深作者說：「100 多年來我們可能一直在錯誤的地方尋找。」
用螢光鈣指示劑標記的星形膠質細胞，用雙光子顯微鏡拍攝。圖片來源：Image by Ashley Ingiosi, courtesy ofCurrent Biology
來源 華盛頓州立大學
翻譯 王嘉媛
審校 戚譯引
近日發表在《當代生物學》（Current Biology）雜誌上的一項新研究表明，星形膠質細胞在調節睡眠睡眠方面可能與神經元一樣重要。
在美國華盛頓州立大學（Washington State University）埃爾森·弗洛伊德醫學院（Elson S. Floyd College of Medicine）的研究人員的帶領下，這項研究為最終揭開我們為何睡眠以及睡眠的大腦過程的謎題指出了新的方向。針對睡眠障礙、神經疾病以及其他與睡眠問題相關的疾病，如 PTSD（創傷後應激障礙）、抑鬱症、阿爾茨海默症和自閉症譜系障礙，這項發現也可能為未來的潛在治療策略奠定基礎。
該研究的第一作者、博士後研究助理 Ashley Ingiosi 說：「我們對睡眠的了解很大程度上取決於神經元。」她解釋說，神經元通過可以通過電信號進行交流，而這些電信號很容易被腦電圖（EEG）捕獲到。而星形膠質細胞是一種與神經元相互作用的神經膠質細胞，它不使用電信號，而是使用一種稱為鈣信號的過程來控制其活動。
一項新研究表明，星形膠質細胞（呈星形的腦細胞）在調節睡眠睡眠方面可能與神經元（大腦的神經細胞）一樣重要。儘管有一些研究暗示星形膠質細胞可能在睡眠中發揮作用，但直到最近才有可靠的科學工具來研究其鈣離子活性，Ingiosi 說。
為了更深入地研究星形膠質細胞在睡眠中的作用，她和共同作者們使用了齧齒動物模型，來記錄星形膠質細胞在整個睡眠和清醒過程以及睡眠剝奪後的鈣活性。他們使用了一種螢光鈣指示劑，能夠通過微型頭戴式顯微鏡成像，可以在小鼠四處活動並表現出正常行為時，直接觀察它們的大腦。該指示劑使研究小組能夠觀察在小鼠的睡眠和清醒狀態下，鈣驅動的螢光活動如何在星形膠質細胞中閃爍。得益於這種獨特的使用微型顯微鏡的方法，研究小組才能首次在自由行動的動物身上研究睡眠中星形膠質細胞的鈣活性。
研究團隊著手回答兩個主要問題：星形膠質細胞是否像神經元一樣，在睡眠和清醒狀態之間發生動態變化？星形膠質細胞是否在調節睡眠需求、即我們的自然睡眠驅動力方面中發揮作用？
大腦額葉皮層與睡眠需要相關的可測量的腦電圖變化有關，通過觀察這一區域的星形膠質細胞，他們發現它的活性在整個睡眠—覺醒周期中動態變化，神經元也是如此。他們還觀察到，在休息階段開始時鈣活動最多，也就是睡眠需求最大的階段；而在測試階段結束時鈣活動最少，也就是睡眠需求消失的時候。
接下來，他們讓小鼠在正常休息階段的前 6 個小時保持清醒狀態，並觀察到鈣的活動與睡眠中 EEG 慢波活動的變化同步，而 EEG 慢波活動是睡眠需求的關鍵指標。也就是說，他們發現睡眠剝奪會導致星形膠質細胞鈣活動的增加，而在小鼠被允許睡眠後，這種活性會降低。
他們的下一個問題是，通過基因操縱改變星形膠質細胞的鈣活性是否會影響睡眠調節。為了找出答案，他們研究了在星形膠質細胞中選擇性缺乏 STIM1 蛋白的小鼠，這種蛋白會減少可用的鈣的含量。在被剝奪睡眠後，這些小鼠的睡眠時間和睏倦程度都不及正常小鼠，這進一步證實了早期發現，表明星形膠質細胞在調節睡眠需求中發揮重要作用。
最後，他們檢驗了以下假設，即星形膠質細胞鈣活性僅反映神經元的電活動。此前的研究表明，在非快速眼動睡眠期間和睡眠剝奪後，神經元的電活動變得更加同步；但研究人員發現星形膠質細胞的情況正好相反，在非快速眼動睡眠和睡眠剝奪後，鈣活動變得不那麼同步。
「這向我們表明，星形膠質細胞並不是被動地跟隨神經元的引導，」Ingiosi 說：「而且，由於星形膠質細胞不一定表現出與神經元相同的活動模式，這實際上可能暗示星形膠質細胞在調節睡眠和睡眠需求方面具有更直接的作用。」
Ingiosi 說，需要更多的研究來進一步闡明星形膠質細胞在睡眠和睡眠調節中的作用。她計劃在已被證明對睡眠和清醒很重要的大腦其他部位研究星形膠質細胞的鈣活動。此外，她還想研究星形膠質細胞與大腦中不同神經遞質的相互作用，以開始梳理出星形膠質細胞驅動睡眠和睡眠需求的機制。
文章資深作者、生物醫學教授 Marcos Frank 表示：「我們的研究結果表明，100 多年來我們可能一直在錯誤的地方尋找。研究提供了強有力的證據，表明我們應該以星形膠質細胞為目標，以了解我們為何以及如何入睡，以及開發出新的治療方法，以幫助患有睡眠紊亂和其他涉及異常睡眠的疾病的人。」