Nature | 睡眠影响代谢？科学家揭示大脑活动调节葡萄糖代谢新机制
海马是参与认知活动最重要的脑区之一，同时它也参与机体内分泌调节。海马调节认知活动主要是通过各种形式的电信号。尖波涟漪（Sharp wave ripples，SPW-Rs, ）是海马在慢波睡眠过程中所呈现的一种场电位形式，主要发生在非快速眼动睡眠期（non-rapid eye movement，NREM），是认知活动的生物学标志。而海马对机体内分泌和荷尔蒙系统的调控主要通过影响下丘脑中分泌激素的神经元来实现的【1】。因此，人们普遍认为海马所参与的认知活动与内分泌调控之间是相互独立没有任何关系的，那么事实真是如此吗？
2021年8月11日，来自美国纽约大学的György Buzsáki团队在Nature杂志在线发表了题为A metabolic function of the hippocampal sharp wave-ripple的研究论文揭示了看似无关又相互独立的认知能力和机体代谢功能之间，可以通过海马尖波涟漪（SPW-Rs）连接起来。
首先，研究人员研究了SPW-Rs的产生与组织间隙中葡萄糖浓度波动之间的关系。在大鼠自由活动状态下，连续监测其机体葡萄糖浓度（图1a），同时记录海马背侧CA1区域的电生理信号（图1c）。通过分析葡萄糖波动节律性和SPW-Rs，研究人员发现，具有较大振幅和较短持续时间特征的SPW-Rs簇与未来葡萄糖浓度的大幅度降低有关。而这种改变主要是由于葡萄糖节律的相位重置造成的。
图1. 葡萄糖监测（a）和海马电信号记录位置（b）
随后，研究人员分析了SPW-Rs是否会主动参与葡萄糖代谢调节。采用光遗传研究策略，在大鼠海马双侧注射CamKII-ChR2-EYFP病毒（图2），6-8周之后植入电极和光纤，通过光学控制主动诱导产生SPW-Rs，同时检测葡萄糖浓度的变化情况。实验结果显示，在光遗传诱导产生SPW-Rs之后，葡萄糖浓度随即大幅度降低，说明诱导的SPW-Rs可以主动降低葡萄糖水平。通过进一步机制探究发现，SPW-Rs主要是通过侧隔膜（Lateral septum）调控外周葡萄糖代谢。
图2. 光遗传实验策略
大量研究显示，人的睡眠质量与二型糖尿病息息相关【2-4】，但大脑活动究竟是如何影响机体状态的还不是很清楚。大多数的SPW-Rs主要发生在非快速眼动睡眠期（NREM sleep）期间，该研究也证实海马SPW-Rs可以调节外周葡萄糖代谢。因此，海马SPW-Rs很可能是睡眠对葡萄糖代谢发挥调节作用的重要机制之一。该研究为阐释睡眠与机体代谢之间的关系提供了一种全新的机制，同时为大家理解二型糖尿病的发生机制开辟了新思路。
原文链接:
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03811-w
参考文献
[1] Hsu, T. M. et al. Hippocampus ghrelin signaling mediates appetite through lateral hypothalamic orexin pathways. eLife 4, e11190 (2015).
[2] Tasali, E., Leproult, R., Ehrmann, D. A. & Van Cauter, E. Slow-wave sleep, and the risk of type 2 diabetes in humans. Proc. Natl Acad. Sci. USA 105, 1044–1049 (2008).
[3] Cappuccio, F. P., D’Elia, L., Strazzullo, P. & Miller, M. A. Quantity and quality of sleep and incidence of type 2 diabetes: a systematic review and meta-analysis. Diabetes Care 33, 414–420 (2010).
[4] Spiegel, K., Leproult, R. & Van Cauter, E. Impact of sleep debt on metabolic and endocrine function. Lancet 354, 1435–1439 (1999)
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