利用微型化双光子技术揭示自由睡眠下的小胶质细胞行为与功能
2025-05-16 来源:本站 点击次数:412
睡眠是我们生活中不可或缺的一部分，但其背后的调控机制仍然十分神秘。小胶质细胞是中枢神经系统的固有免疫细胞，占整个脑细胞的10-15%。它们在神经发生、突触修剪、损伤修复以及学习和记忆等方面发挥着关键作用，然而在自然睡眠中的角色一直不清楚。小胶质细胞对大脑微环境十分敏感，传统的有创开颅术引发的炎症反应会改变细胞的生理形态，这在一定程度上限制了对自然睡眠中小胶质细胞的功能研究。
该团队采用无创的颅窗埋植方式，使用微型化双光子显微成像技术成功获取了自由行为小鼠连续10小时的小胶质细胞动态联系图像，并结合脑电/肌电记录和行为视频（图1），研究了自然睡眠-觉醒周期中小胶质细胞形态动力学及其调节机制。微型化双光子显微镜的微小体积，使得佩戴在动物头上并不影响其睡眠状态；双光子成像的低光漂白特性，使得整个成像过程可以贯穿小鼠一整个睡眠周期而不影响荧光质量，让我们可以一窥睡眠周期下的小胶质细胞的动态变化过程。研究发现，小胶质细胞的形态在清醒、非快速眼动（non-rapid eye movement, NREM）睡眠和快速眼动（rapid eye movement, REM）睡眠中有各自典型的动力学特征（图2），而3小时的睡眠剥夺可以显著改变小胶质细胞形态特征。
图1. 头戴微型化双光子探头和脑肌电设备的自由行为小鼠
为了研究和解决这些问题，近日，北京大学程和平和东南大学顾小春合作团队于国际知名学术期刊eLife在线发表题为“Imaging Microglia Surveillance during Sleep-wake Cycles in Freely Behaving Mice”的研究论文，报道了小胶质细胞在自然睡眠中的重要作用，为我们揭示了睡眠之谜的一角。东南大学副教授顾小春与中国医学科学院基础医学研究所博士生赵重为文章的第一作者，顾小春与程和平院士为文章的共同通讯作者。
该团队采用无创的颅窗埋植方式，使用微型化双光子显微成像技术成功获取了自由行为小鼠连续10小时的小胶质细胞动态联系图像，并结合脑电/肌电记录和行为视频（图1），研究了自然睡眠-觉醒周期中小胶质细胞形态动力学及其调节机制。微型化双光子显微镜的微小体积，使得佩戴在动物头上并不影响其睡眠状态；双光子成像的低光漂白特性，使得整个成像过程可以贯穿小鼠一整个睡眠周期而不影响荧光质量，让我们可以一窥睡眠周期下的小胶质细胞的动态变化过程。研究发现，小胶质细胞的形态在清醒、非快速眼动（non-rapid eye movement, NREM）睡眠和快速眼动（rapid eye movement, REM）睡眠中有各自典型的动力学特征（图2），而3小时的睡眠剥夺可以显著改变小胶质细胞形态特征。
图1. 头戴微型化双光子探头和脑肌电设备的自由行为小鼠
图2. 不同大脑状态下小胶质细胞形态学差异
随后，该团队使用去甲肾上腺素（norepinephrine，NE）探针对大脑皮层中的NE动态变化进行了实时成像，并结合颅内埋管的药物递送方式进一步探究了小胶质细胞形态变化的调节机制。研究进一步发现大脑皮层的NE水平对小胶质细胞的形态变化调节起关键作用。皮层中NE水平的震荡以睡眠状态依赖的方式发生，而β2-肾上腺素能受体信号在小胶质细胞形态动力学变化中起着重要作用。这为我们理解睡眠的神秘机制提供了新的视角，同时也为未来寻找推动睡眠发生的“暗物质”提供了新的研究范式。
微型化双光子探头的重量仅有2.2g，可以满足小鼠连续24小时的自由行为成像需求，为未来研究自然睡眠中小胶质细胞的生理功能开辟了一条新的研究途径。这项技术使我们能够更深入地探索大脑的微观世界，期待着未来的研究能够进一步揭示小胶质细胞与睡眠之间的更多秘密，为改善人们的睡眠质量提供新的可能性。
【参考文献】
Gu, X., Zhao, Z., Chen, X., Zhang, L., Fang, H., Zhao, T., ... & Cheng, H. (2023). Imaging Microglia Surveillance during Sleep-wake Cycles in Freely Behaving Mice. bioRxiv, 2023-02.
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