神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞與睡眠研究進(jìn)展

滕 柳 郭海波 王 慧

睡眠是人類(lèi)生命中必不可少的生理活動(dòng)之一，人類(lèi)一生中大約有1/3的時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，高質(zhì)量的睡眠可以保證大腦和軀體儲(chǔ)備能量以發(fā)揮最佳功能、促進(jìn)生長(zhǎng)和延緩衰老、增強(qiáng)機(jī)體的免疫力。然而隨著現(xiàn)代社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)壓力的增加，睡眠障礙發(fā)生率逐年上升。睡眠障礙是由于睡眠時(shí)間不足或睡眠質(zhì)量不佳從而影響人的身體和精神狀態(tài)，長(zhǎng)期的睡眠障礙會(huì)損害體溫調(diào)節(jié)、新陳代謝和免疫機(jī)制，最終可能會(huì)引發(fā)高血壓、冠心病、腦梗死等慢性心腦血管疾病危害生命健康，同時(shí)也與精神疾病有一定的相關(guān)性。以往關(guān)于睡眠機(jī)制的研究多集中在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)中眾多的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)元結(jié)構(gòu)及一系列神經(jīng)遞質(zhì)方面，睡眠的神經(jīng)機(jī)制較為復(fù)雜，目前的研究尚未完全闡明，近年來(lái)研究者們開(kāi)始將睡眠與覺(jué)醒機(jī)制的研究視角放在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞上。

一、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的分類(lèi)及功能

神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞是19世紀(jì)中期發(fā)現(xiàn)的一類(lèi)非神經(jīng)元細(xì)胞，簡(jiǎn)稱膠質(zhì)細(xì)胞,它作為間質(zhì)細(xì)胞分布在神經(jīng)元之間，有突起，但無(wú)樹(shù)突和軸突之分，廣泛分布于中樞和周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)，與神經(jīng)元共同完成CNS內(nèi)信息的傳遞與整合，調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)，其數(shù)量是神經(jīng)細(xì)胞的10～50倍。CNS中的膠質(zhì)細(xì)胞主要有星形膠質(zhì)細(xì)胞(astrocyte)、小膠質(zhì)細(xì)胞(microglial cell)、少突膠質(zhì)細(xì)胞(oligodendrocyte)和神經(jīng)元膠質(zhì)抗原-2(NG2)膠質(zhì)細(xì)胞，NG2膠質(zhì)細(xì)胞近年來(lái)被認(rèn)為是CNS中的第4類(lèi)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞[1]。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為膠質(zhì)細(xì)胞的作用僅是支持、營(yíng)養(yǎng)、保護(hù)和修復(fù)神經(jīng)元。近30年來(lái)，由于膜片鉗技術(shù)、微電極技術(shù)、腦片培養(yǎng)技術(shù)以及基因技術(shù)等一系列新型技術(shù)在神經(jīng)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，為膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)和功能的研究提供了非常有力的支持。現(xiàn)已證明膠質(zhì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣并且表達(dá)豐富，它表達(dá)多種神經(jīng)遞質(zhì)受體、離子通道、神經(jīng)活性氨基酸親和載體、細(xì)胞識(shí)別分子，并能分泌多種神經(jīng)活性物質(zhì)(生長(zhǎng)因子、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和細(xì)胞因子)等,因而對(duì)調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)起著十分重要的作用，特別是對(duì)突觸可塑性和傳遞效能的影響[2,3]。它還可以通過(guò)不同機(jī)制，如神經(jīng)遞質(zhì)吸收、離子轉(zhuǎn)運(yùn)和化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等作用不斷影響周?chē)窠?jīng)元的電活動(dòng)和化學(xué)信號(hào)，為它影響大腦活動(dòng)、參與睡眠機(jī)制提供了前提，而且膠質(zhì)細(xì)胞所參與的神經(jīng)元代謝、損傷的修復(fù)、突觸可塑性等機(jī)制都與睡眠相關(guān)[4,5]。故神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞被認(rèn)為參與了睡眠-覺(jué)醒機(jī)制的調(diào)節(jié)。

二、各類(lèi)膠質(zhì)細(xì)胞與睡眠的關(guān)系

1.星形膠質(zhì)細(xì)胞與睡眠:星形膠質(zhì)細(xì)胞是CNS中主要的、含量最豐富的膠質(zhì)細(xì)胞，具有與CNS穩(wěn)態(tài)相關(guān)的許多重要的生理特性，它可介導(dǎo)神經(jīng)血管偶合、感知神經(jīng)元活動(dòng)、促進(jìn)突觸成熟和調(diào)節(jié)其可塑性，控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)興奮性，目前被認(rèn)為與睡眠關(guān)系最為密切[6～8]。星形膠質(zhì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)錄和功能可能受到睡眠-覺(jué)醒周期的調(diào)控，研究顯示睡眠和覺(jué)醒強(qiáng)烈影響了小鼠腦中星形膠質(zhì)細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)[9]。早已證實(shí)星形膠質(zhì)細(xì)胞可以表達(dá)免疫調(diào)節(jié)相關(guān)受體參與免疫應(yīng)答，而睡眠不足或睡眠質(zhì)量差是引起炎癥的危險(xiǎn)因素，星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)炎性反應(yīng)迅速，可釋放腫瘤壞死因子-α(TNF-α) 、白細(xì)胞介素-1 (IL-1)、神經(jīng)生長(zhǎng)因子 (NGF)等細(xì)胞因子參與睡眠-覺(jué)醒周期的調(diào)節(jié)[10,11]。它與小膠質(zhì)細(xì)胞均是睡眠和免疫系統(tǒng)相互作用的積極參與者。糖原和腺苷是睡眠穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，腦糖原主要存在于星形膠質(zhì)細(xì)胞中，在睡眠剝奪后期恢復(fù)睡眠期間糖原含量上升非常緩慢，直到9h后它恢復(fù)到基線水平，這表明糖原可能以某種方式參與維持或調(diào)節(jié)睡眠的機(jī)制[12]。最初的研究顯示，星形膠質(zhì)細(xì)胞可以通過(guò)胞吐作用調(diào)節(jié)細(xì)胞外腺苷的含量，腺苷作用于腺苷A1受體(A1R)以促進(jìn)睡眠驅(qū)動(dòng)，隨著睡眠剝奪時(shí)間的推移，星形膠質(zhì)細(xì)胞的反應(yīng)明顯，并調(diào)控腦內(nèi)腺苷的含量，進(jìn)而促進(jìn)睡眠[13]。后有研究發(fā)現(xiàn)ATP也與睡眠密切相關(guān)，與腺苷、糖原共同參與睡眠的能量代謝，對(duì)氯苯丙氨酸(PCPA)誘導(dǎo)的失眠大鼠腦內(nèi)ATP會(huì)有不同水平的下降，且以ATP為配體的P2X受體的獨(dú)特亞型P2X7R在PCPA失眠大鼠腦內(nèi)表達(dá)明顯上調(diào)[14，15]。星形膠質(zhì)細(xì)胞可通過(guò)胞內(nèi)鈣離子依賴釋放ATP作為膠質(zhì)遞質(zhì)調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動(dòng)，表明星型膠質(zhì)細(xì)胞可通過(guò)干預(yù)能量代謝而參與睡眠穩(wěn)態(tài)[16]。

在哺乳動(dòng)物中，成熟的星形膠質(zhì)細(xì)胞可表達(dá)腦型脂肪酸結(jié)合蛋白7 (fatty acid binding protein7,Fabp7)。研究顯示，小鼠腦內(nèi)Fabp7 mRNA的表達(dá)水平與睡眠-覺(jué)醒周期關(guān)系密切，在涉及睡眠活動(dòng)機(jī)制的大腦區(qū)域中，F(xiàn)abp7 mRNA表達(dá)水平在光照期間升高，在夜間降低；Fabp7蛋白水平在24h內(nèi)也經(jīng)歷了豐富的晝夜變化[17]。還有研究發(fā)現(xiàn)突變的Fabp7.T61M與人類(lèi)的碎片化睡眠有關(guān)，在Fabp7缺陷小鼠和Fabp7.T61M突變的轉(zhuǎn)基因果蠅中顯示出碎片化睡眠，顯示正常睡眠可能需要Fabp7的參與，F(xiàn)abp7水平或活性的改變可能與睡眠障礙有關(guān)[18，19]。星形膠質(zhì)細(xì)胞還可以通過(guò)改變細(xì)胞外谷氨酸來(lái)觸發(fā)皮層回路的低頻狀態(tài)控制皮質(zhì)同步神經(jīng)元放電從而來(lái)干預(yù)睡眠[20]。這些結(jié)果為星形膠質(zhì)細(xì)胞參與睡眠調(diào)節(jié)的分子機(jī)制提供了新的證據(jù)。

2.小膠質(zhì)細(xì)胞與睡眠:小膠質(zhì)細(xì)胞是源自胚胎卵黃囊的巨噬細(xì)胞，與其他膠質(zhì)細(xì)胞共同均勻分布于CNS中，是通過(guò)其在整個(gè)生命過(guò)程中發(fā)揮的關(guān)鍵生理作用積極維持健康的常駐免疫細(xì)胞。小膠質(zhì)細(xì)胞的吞噬反應(yīng)和釋放的炎性介質(zhì)在CNS中對(duì)睡眠障礙發(fā)揮著重要的生理病理學(xué)作用[21]。研究顯示，睡眠不足會(huì)導(dǎo)致大腦和外周炎性介質(zhì)的表達(dá)增加，進(jìn)而產(chǎn)生免疫反應(yīng)，而小膠質(zhì)細(xì)胞在睡眠和免疫系統(tǒng)相互作用中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它與星形膠質(zhì)細(xì)胞一起，通過(guò)介導(dǎo)嘌呤P1和P2受體調(diào)節(jié)睡眠-覺(jué)醒機(jī)制和免疫功能[22]。還有研究證實(shí)，在睡眠不足或睡眠剝奪狀態(tài)下，星形膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)揮吞噬作用，小膠質(zhì)細(xì)胞出現(xiàn)增生和活化[23]。活化的小膠質(zhì)細(xì)胞可釋放細(xì)胞因子，如IL-1、IL-6和TNF-α，并且已發(fā)現(xiàn)這些促炎性細(xì)胞因子水平升高與嚙齒動(dòng)物和人類(lèi)的睡眠剝奪有關(guān)，小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞或許參與了睡眠剝奪狀態(tài)下的有害機(jī)制[24，25]。

對(duì)于睡眠剝奪的小鼠，腹腔注射小膠質(zhì)細(xì)胞抑制劑米諾環(huán)素可引起覺(jué)醒的急劇增加并顯著減少非快速眼動(dòng)睡眠(NREMS)，而米諾環(huán)素可抑制睡眠剝奪誘導(dǎo)的NREMS的δ波增加,δ波則代表了睡眠的深度[26]。也有研究揭示睡眠剝奪激活神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞后，增加炎性分子的釋放，導(dǎo)致空間記憶力下降，米諾環(huán)素對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞活化的抑制可能通過(guò)睡眠剝奪期間海馬腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)水平的上調(diào)來(lái)改善空間記憶和成體神經(jīng)細(xì)胞增殖[27]。在人類(lèi)和嚙齒類(lèi)動(dòng)物中, 睡眠缺失會(huì)導(dǎo)致炎性細(xì)胞計(jì)數(shù)升高, 如c-fos蛋白、IL-1、IL-6、TNF-α的增加[28]。米諾環(huán)素可以通過(guò)血-腦脊液屏障, 抑制細(xì)胞因子、一氧化氮和前列腺素(PG)D2等產(chǎn)物的產(chǎn)生, 改善大腦由于這些產(chǎn)物造成的神經(jīng)化學(xué)變化。這些相關(guān)研究提示著小膠質(zhì)細(xì)胞或許參與了睡眠的調(diào)節(jié)機(jī)制。

3.少突膠質(zhì)細(xì)胞與睡眠:少突膠質(zhì)細(xì)胞作為CNS中一類(lèi)髓鞘膠質(zhì)細(xì)胞，主要功能是產(chǎn)生身體中最具特異性的細(xì)胞結(jié)構(gòu)之一——髓磷脂，進(jìn)而形成一層髓鞘，包裹著軸突，為軸突提供絕緣和支持，避免軸突受到細(xì)胞外環(huán)境的影響。研究表明長(zhǎng)期睡眠剝奪會(huì)下調(diào)兩個(gè)髓鞘相關(guān)基因的表達(dá)，一個(gè)編碼plasmolipin，另一個(gè)編碼CD9，是在成熟髓鞘中表達(dá)的膜蛋白鞘。有研究者總結(jié)最近的分子和形態(tài)學(xué)研究，詳細(xì)說(shuō)明了睡眠、覺(jué)醒和慢性睡眠喪失后髓鞘動(dòng)力學(xué)的依賴性，暗示著髓鞘與睡眠密切相關(guān)。這些研究顯示少突膠質(zhì)細(xì)胞受睡眠-覺(jué)醒的調(diào)節(jié)，睡眠不足可以抑制髓鞘形成相關(guān)基因的表達(dá)，證明了對(duì)少突膠質(zhì)細(xì)胞的負(fù)面影響。同時(shí)也有證據(jù)表明髓鞘的原發(fā)性缺陷會(huì)導(dǎo)致睡眠和晝夜節(jié)律紊亂，如硬化癥(MS)，一種以CNS脫髓鞘為特征的自身免疫性疾病和退行性疾病，常常伴隨著睡眠障礙，提示睡眠與少突膠質(zhì)細(xì)胞之間可能存在著雙向調(diào)節(jié)作用。

此外少突膠質(zhì)細(xì)胞能合成和分泌影響睡眠活動(dòng)的物質(zhì)，如多種細(xì)胞因子、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子、神經(jīng)生長(zhǎng)因子等。少突膠質(zhì)細(xì)胞是成熟大腦中PGD2的來(lái)源，當(dāng)外源應(yīng)用時(shí)，它已被證明是是最有效的內(nèi)源性睡眠誘導(dǎo)物質(zhì)。PGD2激活腹外側(cè)視前區(qū)的非快速眼動(dòng)(NREM)睡眠調(diào)節(jié)中心，可能由腺苷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)介導(dǎo)，該激活通過(guò)下行γ-氨基丁酸(GABA)能和甘丙肽能預(yù)測(cè)來(lái)抑制結(jié)節(jié)乳頭核中的組胺能喚醒中樞。少突膠質(zhì)細(xì)胞與睡眠之間存在著一定的聯(lián)系，但其調(diào)節(jié)睡眠的具體過(guò)程還需進(jìn)一步探索。

4.NG2膠質(zhì)細(xì)胞與睡眠：NG2膠質(zhì)細(xì)胞作為20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的一類(lèi)新型膠質(zhì)細(xì)胞，因其特有的分化潛能，又稱為少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞(oligodendrocyte progenitor cells,OPCs)，廣泛分布于發(fā)育及成熟CNS的灰質(zhì)和白質(zhì)中，占膠質(zhì)細(xì)胞的2%～9%。它特異性表達(dá)硫酸軟骨素蛋白多糖4(CSPG4)，能夠在正常和脫髓鞘條件下產(chǎn)生新的少突膠質(zhì)細(xì)胞，為髓鞘的再生提供支持。NG2膠質(zhì)細(xì)胞不僅可以分化為少突膠質(zhì)細(xì)胞，在體外或病理?xiàng)l件下還可分化為Ⅱ型星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元，它還有著較強(qiáng)的分裂增生能力和自我更新能力，與神經(jīng)元之間還存在著突觸聯(lián)系。當(dāng)CNS出現(xiàn)損傷時(shí),損傷周?chē)腘G2陽(yáng)性細(xì)胞出現(xiàn)形態(tài)學(xué)改變, 胞體擴(kuò)大,突起也變得肥厚, NG2膠質(zhì)細(xì)胞的免疫反應(yīng)性明顯增強(qiáng)，說(shuō)明NG2膠質(zhì)細(xì)胞直接參與CNS的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制。

NG2膠質(zhì)細(xì)胞是否對(duì)睡眠有直接的調(diào)控作用目前還不明確，有研究者對(duì)小鼠腦標(biāo)本進(jìn)行少突膠質(zhì)細(xì)胞基因表達(dá)分析顯示，在睡眠和覺(jué)醒時(shí)基因表達(dá)存在著差異，參與磷脂合成、髓鞘化或促進(jìn)OPCs增殖的基因在睡眠中被優(yōu)先轉(zhuǎn)錄，與細(xì)胞凋亡和應(yīng)激反應(yīng)以及OPCs分化有關(guān)的基因在覺(jué)醒期間上調(diào)。并且實(shí)驗(yàn)證實(shí)，OPCs在睡眠時(shí)增殖增加，并與快速眼動(dòng)睡眠時(shí)間呈正相關(guān)，而在清醒時(shí)，OPCs分化增加且會(huì)促進(jìn)髓鞘形成。人類(lèi)睡眠受多種神經(jīng)遞質(zhì)和受體調(diào)控，而NG2膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)在培養(yǎng)物上應(yīng)用外源性激動(dòng)劑或大腦切片中證實(shí)還會(huì)表達(dá)一些睡眠相關(guān)神經(jīng)遞質(zhì)受體，主要有5-羥色胺(5-HT)受體及其亞基、谷氨酸(Glu)受體、γ-氨基丁酸(GABA)受體等。這些睡眠相關(guān)神經(jīng)遞質(zhì)受體的表達(dá)為NG2膠質(zhì)細(xì)胞參與睡眠-覺(jué)醒機(jī)制提供了可能。

三、展 望

綜上所述，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在發(fā)育和成熟的神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。在發(fā)育過(guò)程中，通過(guò)控制神經(jīng)干細(xì)胞增殖、對(duì)神經(jīng)元的營(yíng)養(yǎng)支持和消除垂死神經(jīng)元來(lái)調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量；在成熟的神經(jīng)系統(tǒng)中，通過(guò)維持離子穩(wěn)態(tài)，攝取神經(jīng)遞質(zhì)，形成并維持血-腦脊液屏障，充當(dāng)神經(jīng)系統(tǒng)中的主要免疫細(xì)胞，并調(diào)節(jié)突觸活動(dòng)影響動(dòng)物行為，現(xiàn)已成為CNS疾病的研究熱點(diǎn)。以往大量研究證明各類(lèi)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞與CNS中許多神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)，但其在睡眠調(diào)節(jié)中的確切作用現(xiàn)在才開(kāi)始被探索，目前所了解的膠質(zhì)細(xì)胞可以通過(guò)自身的激活產(chǎn)生和釋放細(xì)胞因子、趨化因子、表達(dá)神經(jīng)遞質(zhì)受體等途徑直接或間接地參與睡眠的調(diào)控過(guò)程。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞作為睡眠障礙藥物治療的潛在靶點(diǎn)，具有非常重要的研究意義。隨著新型分子工具的應(yīng)用，如光基因技術(shù)、化學(xué)遺傳學(xué)和光遺傳學(xué)結(jié)合體內(nèi)最先進(jìn)的Ca2+成像技術(shù)等，膠質(zhì)細(xì)胞在睡眠調(diào)節(jié)中的分子機(jī)制將更清楚地被揭示出來(lái)，從而為睡眠疾病的藥物研發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。