EMBO J：揭示星形胶质细胞帮助大脑的主时钟保持时间机制

在一项新的研究中，来自帝国理工学院的研究人员在大脑中发现了一种“化学节拍器（chemical metronome）”，它有助于让告诉人们何时该睡觉的主时钟同步。在对小鼠和人类脑细胞的研究中，他们发现称为星形胶质细胞的脑细胞会有节奏地产生一种化学脉冲，帮助大脑的主时钟保持时间，从而影响人类的昼夜节律（circadian rhythm）和睡眠-觉醒周期（sleep-wake cycle）。

相关研究结果于2024年12月2日在线发表在EMBO Journal期刊上，论文标题为“Rhythmic astrocytic GABA production synchronizes neuronal circadian timekeeping in the suprachiasmatic nucleus”。

作者指出，这些研究成果有助于人们了解星形胶质细胞如何使维持昼夜节律的大脑回路同步，并可能对治疗时差、睡眠障碍，甚至减缓或预防神经退行性疾病产生影响。

论文通讯作者、帝国理工学院脑科学系的Marco Brancaccio博士说，“虽然这项研究还处于早期阶段，还有很多问题需要探索，但我们希望我们的发现将帮助我们更好地理解大脑如何保持时间，以及星形胶质细胞如何与神经元一起影响哺乳动物的行为。这有可能带来治疗失眠症中昼夜节律紊乱甚至有助于延缓痴呆症的发病的新方法。”

保持时间

昼夜节律有助于维持人体健康，包括人类的睡眠-觉醒周期。全身不同类型的细胞可能都有自己的内部时钟，但是在哺乳动物体内，它们都由位于大脑深处的微小结构——视交叉上核（suprachiasmatic nucleus , SCN）中的“主时钟”控制。

帝国理工学院之前的研究已表明，在大脑中执行一系列维护功能的星形胶质细胞可能在调节昼夜节律方面发挥作用（Science, 2019, doi:10.1126/science.aat4104）。但它们究竟是如何做到这一点的还不清楚。

在这项新的研究中，作者对小鼠脑细胞和人类脑细胞进行了研究，以更好地了解这些细胞的作用。他们发现，星形胶质细胞会定期释放一种名为γ氨基丁酸（GABA）的神经递质，每 24 小时达到峰值。这种有规律的脉冲被认为是一种化学节拍器，有助于使SCN中的神经元同步，从而间接影响昼夜节律和睡眠-觉醒周期。

论文第一作者、帝国理工学院的博士研究员Natalie Ness说，“我们的研究强调了星形胶质细胞在大脑内部时钟系统中的惊人作用。这些细胞每天有节奏地产生GABA：一种通常与神经元相关的信号分子。星形胶质细胞有节奏地释放GABA有助于调整大脑一天的时间。当我们阻断或破坏这种来自星形胶质细胞的信号时，就会对SCN中的神经元产生连锁反应，从而破坏已知对维持生理和行为昼夜节律至关重要的活动和基因表达模式。”

保护大脑功能

作者说，他们的发现可能有助于人们更好地理解与时间有关的信息如何在大脑中编码并驱动哺乳动物的复杂行为。他们解释说，由于星形胶质细胞是帕金森病和阿尔茨海默病等几种脑部疾病的早期标志物，保护它们的节律有可能保护大脑功能，延缓疾病的发生或延缓其进展。

Brancaccio博士补充说，“我们的最新发现可能为更好地理解神经退行性疾病提供了一个新的视角，但这仍然是一个非常复杂的问题。众所周知，GABA 水平的紊乱在阿尔茨海默病中非常突出，在对患者进行的大型基因表达研究中，星形胶质细胞生成 GABA 的改变与疾病相关。”

“然而，尽管我们通常认为星形胶质细胞释放的GABA与疾病有关，但我们的这项新研究却强调它是内部恢复力的基本机制。在疾病的早期阶段，这类机制可能会脱轨，逐渐削弱大脑的核心回路，就像我们的内部主时钟一样，对我们的生理和行为产生巨大影响。”

“在我们寻找睡眠-觉醒周期紊乱可能导致我们走上疾病之路的‘临界点’时，加强星形胶质细胞的GABA节律似乎是一个令人兴奋的预防性干预候选方案。”（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Natalie Ness et al. Rhythmic astrocytic GABA production synchronizes neuronal circadian timekeeping in the suprachiasmatic nucleus. EMBO Journal, 2024, doi:10.1038/s44318-024-00324-w.