睡眠剥夺仪 | 在急性睡眠剥夺及短期睡眠恢复期间持续的小胶质细胞激活和树突棘的加速消除

在健康大脑中，小胶质细胞通常处于生理状态，其不断地监测大脑实质的周围微环境，寻找细胞外信号，并与其他细胞包括神经元和星形胶质细胞进行互动。然而，这种稳态可能会受到外部刺激和病理生理条件的干扰，表现出小胶质细胞“激活”的不同状态。为了记录ASD期间及随后的RS期间不同大脑区域中小胶质细胞的动态形态变化，作者观察了ASD和RS组（图1）小鼠的脑切片，通过双光子成像技术对大脑皮层、海马CA1、齿状回多形层（PoDG）以及纹状体区域的小胶质细胞进行了成像（图2A），发现在ASD 48h和RS 24h组中，小胶质细胞表面积、过程长度和小胶质细胞过程端点数量显著且持续减少（图2B-D）。以上结果表明，在ASD及随后的短期RS期间，小胶质细胞的激活持续处于低水平。

作为中枢神经系统中的监视免疫细胞，小胶质细胞通过其突起活动的动态过程响应微环境的变化。尽管小胶质细胞突起活动重要，但这些过程在不同生理条件下的变化仍不太清楚。作者通过活体双光子成像技术，研究了ASD和随后RS期间躯体感觉皮层中小胶质细胞突起的活动（图3A）。结果显示，与正常对照组相比，ASD和随后RS期间，包括收缩和延伸指数以及运动性指数在内的所有这些参数都显著且持续降低（图3B-G）。以上数据表明，在ASD和随后的RS期间，小胶质细胞突起的活动持续降低。

作为中枢神经系统的巨噬细胞和突触修剪者，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和随后的RS期间小胶质细胞的吞噬活性，作者追踪了CD68的表达水平和定位（CD68参与单核细胞/巨噬细胞吞噬，清除细胞碎片和死亡细胞）。通过对小胶质细胞免疫荧光染色（图4A），结果发现，相比于正常对照组，ASD和RS组小鼠的不同大脑区域中CD68的表达持续增加（图4A-C）。因此，这些数据表明，在ASD和随后的RS期间，大脑区域中小胶质细胞的吞噬作用持续增强。

先前的研究表明，小胶质细胞的活动可以影响突触可塑性。为了研究ASD和随后RS对突触可塑性的影响，作者评估了整个ASD/RS过程的小鼠大脑躯体感觉皮层中树突棘的形成和丢失（图5A-B）。通过对同一神经元的树突结构进行动态追踪，研究发现，与正常对照组小鼠相比，ASD和RS组小鼠的神经元树突棘的形成率没有显著差异，但是树突棘的消除率显著增加（图5C-F）。因此，很可能是由于小胶质细胞激活持续处于低水平，导致在ASD和随后的RS期间过多的树突棘丢失。

上述数据表明，在ASD和RS期间小胶质细胞的激活和神经可塑性可能会受到影响。为了进一步探索背后的分子机制，作者采用LC-MS/MS方法来评估它们对整个大脑代谢微环境的影响。热图显示，在ASD和RS之后，相当数量的代谢物水平被上调或下调，显著改变了小鼠整个大脑的代谢组（图6A-C）。基于模型的准确性和可靠性，作者接下来研究了大脑中对ASD和随后RS反应不同的代谢物。结果显示，与正常对照组相比，ASD后大量代谢物的水平显著改变，而RS后恢复了许多代谢物的水平（图6D-E）。此外，功能和通路富集分析的结果发现，大脑中最受影响的代谢途径为甘油磷脂代谢、烟酸和烟酰胺代谢等（图6H）。以上结果揭示了在ASD期间大脑的广泛代谢变化以及RS对代谢水平的恢复作用。

根据作者的代谢组数据，RS内大部分代谢物恢复到正常水平（图7A）。然而，即使在这个睡眠恢复期后，仍有许多代谢物没有恢复到正常水平。为了探究在RS期间观察到的小胶质细胞持续激活背后的机制，作者研究了那些丰度没有恢复的大脑代谢物。根据通路富集分析，在24小时睡眠恢复后，许多涉及甘油磷脂、牛磺酸和次牛磺酸等代谢物恢复到正常水平（图7B）。在不可恢复的代谢物中，包括甘油磷脂、磷酸盐和磷酸酯代谢在内的代谢途径显著富集（图7C）。接下来，这些可恢复和不可恢复的代谢物被导入Cytoscape，基于KEGG途径数据库可视化它们的相互联系（图7D和7E）。结果揭示了11个核心代谢物的主要途径，作者关注了其中与神经功能和疾病密切相关的不可恢复代谢物（图7F-M）。以上结果从RS中确定了可恢复和不可恢复的代谢物，从而揭示了可能与ASD和RS期间小胶质细胞持续激活和树突棘加速消除密切相关的关键代谢物和途径。