A2a受体介导的快速眼动睡眠时脑毛细血管血流激增

论文导读

A2a受体介导的快速眼动睡眠时脑毛细血管血流激增

发表于Cell Reports

  01   背景

哺乳动物的睡眠包括两种不同的状态:非快速眼动(NREM)睡眠和快速眼动(REM)睡眠。越来越多的证据支持NREM睡眠和REM睡眠在记忆巩固和突触可塑性中的因果作用。此外，NREM睡眠期间发生的生物学变化表明，生长激素分泌增加，皮质醇分泌受到抑制，以及淋巴系统的激活等，在大脑保护或新陈代谢相关的基本功能中发挥关键作用。相比之下，人们对REM睡眠如何影响这些基本的重要功能知之甚少。到目前为止，人们已采用各种方法来研究睡眠/清醒周期的脑血流动力学，包括正电子发射断层扫描(PET)、超声多普勒、近红外光谱(NIRS)和功能磁共振成像(FMRI)。然而，从这些不同的方法得出的结论存在相互矛盾。

因此，本研究旨在监测睡眠/清醒状态的同时，用双光子显微镜(2PM)直接观察红细胞(RBC)在大脑毛细血管中的流速和流量变化。

  02   结果

1.毛细血管脑血流量在REM睡眠期间大幅增加，但在主动清醒和NREM睡眠期间无明显差异。

为了分析未麻醉小鼠毛细血管脑血流量(CBF)，使用2PM直接测量单个红细胞在毛细血管内的运动,通过记录脑电图(EEG)和肌电图(EMG)同时监测睡眠阶段。

图2A-2C示:基于绝对δ(0.5-4Hz)功率， θ(6-10Hz)功率-δ功率比和EMG信号的积分，将小鼠状态分类为REM睡眠，NREM睡眠和觉醒。对小鼠活跃觉醒、NREM睡眠和REM睡眠期间顶叶皮质、初级体感皮质和次级视觉皮质的毛细血管CBF的评估显示，与其他阶段相比，REM睡眠期间所有皮质区域的毛细血管CBF在REM睡眠期间的红细胞(RBC)速度和流量方面都显著增加。

图2D-2E示:用花盆法测定发现，在REM睡眠恢复期间，与基础REM睡眠期间相比，毛细血管CBF的增加在相对RBC速度和RBC流量增加方面得到增强。

图2F示:在重复测量的单向ANOVA中未检测到睡眠/觉醒状态的显著影响，表明睡眠/觉醒阶段没有显著影响毛细血管直径。

图2G-2K示:发现进入REM睡眠后，毛细血管CBF在约30-50s的时间内逐渐增加，此后维持在较高水平，并有一定的波动，直到REM睡眠终止后逐渐下降。

2.REM睡眠期间皮质振荡活动与毛细血管CBF相关。

图3A-3B示:在REM睡眠期间，RBC速度与 θ和γ 功率显著正相关，但在主动清醒期间没有。

图3C-3D示:在NREM睡眠期间，RBC速度与δ功率显著正相关。小鼠在REM睡眠期间，RBC流量与 θ峰值频率显著正相关，但在主动清醒期间则没有。

3.A2aR参与REM睡眠期间毛细血管CBF升高。

图4A-4B示:腺苷A2a受体(A2aR)是咖啡因在睡眠抑制中的一个靶点，支持其参与睡眠调节，根据先前的研究，从自由活动的小鼠中获取EEG/EMG信号，在A2aR敲除(A2aR-KO)小鼠中，REM睡眠期间毛细血管脑血流量增加，但与活跃清醒时相比没有显著增加。A2aR-KO小鼠活跃觉醒或NREM睡眠期间的红细胞速度与野生型(WT)小鼠相当。

图4C-4E示:花盆法测试A2aR-KO小鼠，在REM睡眠恢复期间测定毛细血管脑血流量时，A2aR缺失的影响更为明显。与WT小鼠相比，在基础睡眠和花盆法后睡眠之间，毛细血管CBF在红细胞流速和流量方面没有显著差异。与WT小鼠相比，A2aR-KO小鼠的红细胞流速和流量均显著降低。以上结果表明，即使在高REM睡眠压力下，A2aR-KO小鼠在REM睡眠期间也不能产生毛细血管CBF的激增。

4.A2aR的药理刺激影响毛细血管CBF。

图5A-5B示:小鼠行2PM检测，并记录EEG/EMG，同时小鼠NaHCO₃给药，研究NaHCO₃对WT和A2aRKO小鼠顶叶皮质毛细血管CBF的影响。比较NaHCO3处理前后每个毛细血管的CBF，检测绝对RBC和相对RBC速度和流量。研究发现A2aR-KO小鼠的血管系统的总体反应性没有变化。

图5C-5D示:小鼠行2PM检测，并记录EEG/EMG，同时小鼠A2AR PAM-1给药，研究A2AR PAM-1对WT小鼠顶叶皮质毛细血管CBF的影响。研究结果显示，给WT小鼠注射A2AR PAM-1可提高RBC速度，在REM睡眠时效果最大。在A2aR-KO小鼠中没有观察到这种影响，证实了A2AR阳性变构调节剂-1(PAM-1)通过A2aR影响脑血流量。

  03   讨论

本研究证明，A2aR对于快速眼动睡眠期间毛细血管CBF的急剧增加至关重要，而在主动清醒或非快速眼动睡眠期间，它们对于维持毛细血管CBF是可有可无。因此，有可能是大脑中的腺苷水平在快速眼动睡眠期间升高，并通过A2aR引起血管舒张。本研究还发现，在快速眼动睡眠期间，红细胞流速或流量与脑电图θ和γ功率或脑电图θ峰值频率呈正相关，这可能表明，在快速眼动睡眠期间，皮质振荡活动和脑血流受到一个共同调节系统的影响。在非快速眼动睡眠期间，红细胞速度与δ功率呈正相关，这与人类PET研究的结果一致。

本研究采用双光子显微镜直接观察到毛细血管内的RBC，血液和神经元/胶质细胞之间的实际物质交换发生在毛细血管内。在多个皮层区域，平均毛细血管CBF在快速眼动(REM)睡眠期间显著增加，而在活跃清醒和非快速眼动睡眠期间无明显差异。鉴于脑血流减少和快速眼动睡眠减少与阿尔茨海默病的发展相关，阿尔茨海默病涉及脑内废物的积累，因此，研究快速眼动睡眠期间脑毛细血管血流增加对清除脑内废物是否重要可能是一个有趣的问题。这项研究为进一步研究腺苷A2a受体在这一过程中的作用奠定了初步基础，最终可能有助于开发治疗阿尔茨海默病等疾病的新疗法。

原文：

Tsai C J, Nagata T, Liu C Y, et al. Cerebral capillary blood flow upsurge during REM sleep is mediated by A2a receptors[J]. Cell Reports, 2021, 36(7): 109558.

翻译：许   丹

审核：李   月

排版：张昊翔