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组胺和睡眠-觉醒环路




  脑内存在着睡眠和觉醒两大调节系统,这两个系统的神经通路在解剖结构上纵横交错,功能上交互抑制,共同协调着机体睡眠与觉醒的时相交替,维持着睡眠觉醒的内稳态。睡眠-觉醒周期的转变可以认为是兴奋性神经元和抑制性神经元之间互相作用产生的结果。睡眠与觉醒中枢此消彼长的相互制约被认为是睡眠觉醒周期性调节的内在基础,然而其神经环路目前仍不清晰,William Wisden教授的讲课正是围绕组胺能神经元参与睡眠-觉醒环路的相关内容展开。

 

  睡眠-觉醒是一项极其复杂、涉及多系统和多中枢的生理过程,伴随着不同神经元的活动变化以及各种递质的释放。下丘脑腹外侧视前区(VLPO)和结节乳头体核(TMN)分别被认为是促睡眠中枢和促觉醒调节中枢。

 

  VLPO区域中的神经元有超过80%是γ-氨基丁酸(GABA)能神经元和甘丙肽能神经元。下丘脑后部TMN区域则包括组胺能神经元、蓝斑去甲肾上腺素能神经元、中缝背核的5-羟色胺能神经元以及脑桥外背侧被盖核的胆碱能神经元,这些神经元纤维投射所至的区域与觉醒密不可分。VLPOTMN之间相互的纤维联系以及递质释放在睡眠-觉醒节律中发挥的作用是近来的研究热点。

 

 


问题1:唑吡坦如何通过组胺能神经元发挥镇静催眠效果?

 


  唑吡坦(Zolpidem)是治疗失眠的黄金药物,也是应用最为广泛的安眠药物之一。仅仅在2010年,美国唑吡坦处方量就达到5,340万剂。唑吡坦和丙泊酚一样,可以与GABAA受体上的γ2F77特异性结合,其后激活GABAA受体并促使氯通道开放,允许氯离子经细胞膜进入神经元内,如此引起超极化,并抑制神经元的放电。简单来说,唑吡坦可以增强GABA神经元的抑制效应。

 

  近年来,Nick Franks教授进行的相关研究揭示了睡眠的神经环路。由此可知,组胺能神经元从TMN区域发出纤维投射至全脑范围来维持机体清醒。一项国际研究显示,人体在困倦时,由下丘脑正中视前核(MnPO)、下丘脑外侧视前区(LPO)向TMN区投射GABA递质,抑制下丘脑后部的组胺能神经元,可以促进睡眠。这些结果都有助于研发新的镇静药物,以期诱导更自然的睡眠。

 

  唑吡坦作为强有力的GABAA受体的激动剂,其是否也是通过增强上述途径抑制组胺能神经元导致睡眠?为揭开这一谜底,William Wisden教授团队进行了一项遗传学研究,结果于2016年发表在《The Journal of Neuroscience》。


  研究者将GABAA受体上的苯丙氨酸替换成异亮氨酸,在保持GABAA受体本身功能正常的情况下,可以消除转基因小鼠对于药物的敏感性。如图1所示,与生理盐水注射组相比,注射唑吡坦的小鼠睡眠潜伏期减少,睡眠时间增加。正常的动物在给予唑吡坦之后几分钟之内就会进入睡眠状态,并且睡眠时间长达40分钟。图1BD则显示,转基因(γ2177lox)小鼠对于唑吡坦完全不敏感,唑吡坦没有发挥原有的镇静作用。


  


  研究者在小鼠注射(AVV)后四周开始进行睡眠-觉醒研究。简单来说,就是在特异性敲除组胺能神经元小鼠的TMN区域做挽救实验,通过注射病毒来重新导回对唑吡坦敏感的GABAA受体,这一步骤从技术上说是成功的。

 

  如2E所示,


 


  通过正常小鼠、转基因(γ2177lox)小鼠、转基因(HDC-γ2F77)小鼠的对照试验可知,在组胺能神经元区域导回GABAA受体的小鼠可以重新恢复对唑吡坦的敏感性,且与正常小鼠几乎无异。

 

  如3所示,


 


  转基因(HDC-γ2F77)小鼠在应用唑吡坦后睡眠潜伏期减少,非快动眼睡眠(NREM)时间增加。总而言之,唑吡坦只需要作用于大脑的特定部位和细胞类型,包括下丘脑中的组胺神经元,就可以诱导睡眠。

 

 


问题2:组胺能神经元和GABA能神经元是否同时存在?

 


  既往研究表明,组胺能神经元中存在GABA染色阳性,这极大地混淆了我们对于组胺及GABA作用的认知。

 

  vGAT是一种将GABA输送到囊泡的囊泡型GABA转运体,也是标记GABA的标志物。William Wisden教授的同事之前也进行了相关的研究,旨在探索组胺能神经元中vGAT的作用。研究者通过注射病毒的方式,通过干扰RNA或者是敲除组胺能神经元上的vGAT,特异性抑制位于组胺能神经元上的vGAT功能。最后发现缺乏vGAT功能的动物异常活跃,在黑暗时相中睡眠减少,运动的速度、距离、范围都显著增大,呈现出过度活跃的状态。

 

  随着神经科学领域研究和技术的长足发展,William Wisden教授团队引入光遗传学技术,通过导入光敏感通道ChR2-EYFP来研究组胺能神经元释放GABA的机制,研究成果于2015年发表在《Neuron》。

 

  组胺能神经元对光刺激有着敏感反应,如4显示,组胺能神经元在受到光刺激时出现动作电位。为观察组胺和GABA如何共同在突触间隙释放,研究者通过光遗传技术观察到大脑切片中位于皮层的组胺能神经元投射终末能够释放GABA,并作用于突触旁的GABA受体,这一机制可能广泛存在于皮层的组胺能神经投射范围。GABA在组胺能神经元上的选择性增强作用能够有效减少睡眠潜伏期,这也是唑吡坦诱导镇静的机制。


 


  GABA是神经系统中主要的抑制性递质之一。GABA在突触的轴突末端经谷氨酸脱羧合成,经囊泡运输至突触前膜,突触前膜释放GABA,作用于突触后膜的GABA受体,引起抑制性效应。依据GABA存在的位置和传递方式的不同,通过光刺激记录下的GABA介导的电流特性也不相同。

 

  如图4所示,绿色的区域就是光敏感通道(表达ChR的组胺细胞中GABAA对新皮质神经元的电流),组胺在小鼠大脑中广泛释放,GABA也通过组胺细胞在皮层和纹状体中释放。

 

  由此可推测,若GABA弥散于突触外,如突触间隙,则通过传递作用于突触后膜,介导紧张性抑制电流。紧张型电流的存在,使得电流释放更精准,认知也变得更加精确。

 

  研究者通过去除组胺能神经元上的GABA转运体来抑制GABA的释放,避免产生紧张型抑制电流,并进行对照实验。实验结果证实引发清醒的神经环路上需要GABA的释放。兴奋性递质组胺和抑制性递质GABA的同时释放和共同传播,也相当于一种互相克制的机制。William Wisden教授认为,这种矛盾的机制类似于中国传统文化中的阴和阳,而进一步的理论完善则期待于今后的相关研究。

 

 

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