星形胶质细胞在调节睡眠-觉醒行为中起着至关重要的作用。然而，星形胶质细胞如何控制特定的睡眠唤醒回路仍然未知。近日，浙江大学脑科学与脑医学学院段树民院士、虞燕琴教授在国际知名期刊Advanced Science(IF 14.3) 上发表了题为“Adenosine‐Dependent Arousal Induced by Astrocytes in a Brainstem Circuit”的研究成果。文章揭示了脑干面神经旁核（面旁区）PZ内的星形胶质细胞通过胞外腺苷促进和维持觉醒的独特作用，并在神经环路水平阐明了其潜在机制。

AAV2/5-GfaABC1D-hPMCA2w/b-mCherry注射PZ的表达效果

AAV2/9-hsyn-GRABAdo1.0 注射PZ的表达效果

AAV2/5-GfaABC1D-ChrimsonR-mCherry注射PZ的表达效果

1、PZ星形胶质细胞Ca²⁺活性是维持清醒所必需的

根据不间断的纤维光度记录，研究团队发现PZ星形胶质细胞表现出状态依赖性的Ca²⁺活动，伴随着从睡眠到清醒的转变而激增；利用化学遗传学激活星形胶质细胞，证实其在维持觉醒状态中发挥关键作用。为了以更精确的时间分辨率研究PZ星形胶质细胞与睡眠-觉醒行为之间的直接关系，研究团队开发了星形胶质细胞靶向的ChR2表达大鼠（GFAP-ChR2-EYFP）,光遗传刺激能使非快速眼动和快速眼动睡眠快速过渡到清醒状态。随后探讨了星形胶质细胞的唤醒诱导作用是否随昼夜节律的变化而变化，值得注意的是，不同状态之间转换的概率在不活跃期（IP）和活跃期（AP）之间保持一致。以上数据说明PZ星形胶质细胞在启动和维持觉醒中起着至关重要的作用。接下来，将AAV2/5-ChrimsonR分别单侧注射到小鼠的PZ、BF和LH并在不同的警觉性状态下进行光刺激，观察发现星形胶质细胞的激活促进了PZ和LH的觉醒，但对BF的睡眠-觉醒调节没有显著影响。通过将AAV2/5-hPMCA2w/b注射到PZ以降低星形胶质细胞Ca²⁺活性，观察到在AP期间清醒时间显著减少，且伴随着NREM睡眠的增加；此外NREM睡眠和清醒之间的转换有明显的激增，表明PZ星形胶质细胞主要通过阻碍从清醒到睡眠的过渡来维持清醒。

2、腺苷可通过ATP水解激活星形细胞产生，并通过A1受体发挥促醒作用

研究团队进一步探讨唤醒和维持清醒的分子介质，将编码GRABAdo1.0的AAV注射到PZ的一侧以测量细胞外空间的腺苷水平，而将GCaMP6f注射到另一侧以同时记录腺苷水平和睡眠-觉醒周期中的星形胶质细胞Ca²⁺活性。结果显示从非快速眼动或快速眼动睡眠过渡到清醒状态后腺苷水平也出现了类似的激增，此外腺苷在清醒时达到峰值，在快速眼动睡眠时降至最低水平。进一步探索发现星形细胞Ca²⁺活性和腺苷动力学在整个睡眠觉醒周期之间存在很强的相关性，表明清醒时星形细胞Ca²⁺活性的增加与PZ细胞外腺苷的增加有关。分析显示腺苷A1受体在PZ内具有稳定的分布，并在星形胶质细胞诱导的觉醒中起着关键作用，随后研究了在星形胶质细胞诱导觉醒过程中ATP在腺苷生成中的作用，结果表明星形胶质细胞在PZ中的激活主要通过ATP水解产生腺苷，腺苷通过PZ中的A1受体发挥促醒作用。

3、PZ的腺苷升高主要由星形胶质细胞Ca²⁺活性驱动

通过混合注射ChrimsonR和GRABAdo1.0，研究团队测量了PZ星形胶质细胞光遗传激活后的实时胞外腺苷变化。在非快速眼动、快速眼动睡眠和清醒期间，星形胶质细胞的单独刺激一致地导致了光遗传激活后腺苷水平的显著上升，采用hPMCA2w/b /GRABAdo1.0、mCherry /GRABAdo1.0作为对照，在PZ进行实时双侧腺苷纤维光度法记录，显示hPMCA2w/b对星形胶质细胞的抑制导致腺苷水平显著降低。综上所述，这些发现支持星形胶质细胞Ca²⁺活性与细胞外腺苷之间的因果关系，突出了星形胶质细胞激活在睡眠-觉醒周期中腺苷生成的关键和不可或缺的作用。进一步的研究发现PZ星形胶质细胞激活后，PB中GABA释放显著下降，表明PZ星形胶质细胞对PB投射的PZGABA神经元具有关键的抑制作用，而PZGABA神经元被证明具有NREM睡眠促进作用。

本研究阐明PZ内星形胶质细胞通过胞外腺苷在回路水平上具有独特的唤醒促进作用，这超出了腺苷在调节BF和皮层睡眠稳态中的传统作用，揭示了星形胶质细胞可能通过不同的机制对睡眠和觉醒施加特定区域的影响。