Tế bào não hình sao có thể giải thích tại sao chúng ta ngủ

Được dẫn dắt bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Y khoa Elson S. Floyd của Đại học Bang Washington, nghiên cứu xây dựng động lực mới nhằm giải quyết rốt ráo bí ẩn về lý do tại sao chúng ta ngủ và cách giấc ngủ hoạt động trong não. Khám phá này cũng có thể tạo tiền đề cho các chiến lược điều trị tiềm năng trong tương lai đối với chứng rối loạn giấc ngủ và bệnh thần kinh cũng như các tình trạng khác liên quan đến giấc ngủ khó khăn, chẳng hạn như PTSD, trầm cảm, bệnh Alzheimer và rối loạn phổ tự kỷ.

Ashley Ingiosi, tác giả chính và cộng sự nghiên cứu sau tiến sĩ cho biết: “Những gì chúng ta biết về giấc ngủ chủ yếu dựa trên các tế bào thần kinh. Cô giải thích, các tế bào thần kinh giao tiếp thông qua các tín hiệu điện có thể dễ dàng ghi lại được thông qua điện não đồ (EEG). Tế bào hình sao - một loại tế bào thần kinh đệm (hoặc "keo") tương tác với tế bào thần kinh - không sử dụng tín hiệu điện và thay vào đó sử dụng một quá trình được gọi là tín hiệu canxi để kiểm soát hoạt động của chúng.

Từ lâu, người ta nghĩ rằng tế bào hình sao - có thể nhiều hơn tế bào thần kinh từ năm đến một - chỉ đóng vai trò hỗ trợ, không có bất kỳ sự tham gia trực tiếp nào vào các hành vi và quá trình. Các nhà khoa học thần kinh gần đây mới bắt đầu xem xét kỹ hơn vai trò tiềm năng của chúng trong các quá trình khác nhau. Và trong khi một số nghiên cứu đã gợi ý rằng các tế bào hình sao có thể đóng một vai trò nào đó trong giấc ngủ, các công cụ khoa học vững chắc để nghiên cứu hoạt động canxi của chúng vẫn chưa có sẵn cho đến gần đây, Ingiosi nói.

Để tìm hiểu sâu hơn về vai trò của tế bào hình sao trong giấc ngủ, cô và các đồng tác giả của mình đã sử dụng một mô hình loài gặm nhấm để ghi lại hoạt động canxi của tế bào hình sao trong suốt thời gian ngủ và thức, cũng như sau khi thiếu ngủ. Họ sử dụng một chất chỉ thị canxi huỳnh quang được chụp ảnh qua kính hiển vi nhỏ gắn trên đầu để nhìn thẳng vào não chuột khi chúng di chuyển và cư xử như bình thường. Chỉ số này cho phép nhóm nghiên cứu thấy hoạt động huỳnh quang do canxi điều khiển bật và tắt trong các tế bào hình sao trong suốt hành vi ngủ và thức. Phương pháp luận có một không hai của họ bằng cách sử dụng những kính hiển vi thu nhỏ này cho phép nhóm thực hiện nghiên cứu đầu tiên về hoạt động canxi của tế bào hình sao trong giấc ngủ ở những động vật tự do hoạt động.

Nhóm nghiên cứu đặt ra câu trả lời cho hai câu hỏi chính: liệu các tế bào hình sao có thay đổi linh hoạt qua các trạng thái ngủ và thức giống như các tế bào thần kinh không? Và liệu các tế bào hình sao có đóng một vai trò nào đó trong việc điều chỉnh nhu cầu ngủ, động lực tự nhiên của chúng ta để ngủ không?

Nhìn vào các tế bào hình sao ở vỏ não trước, một khu vực của não liên quan đến những thay đổi EEG có thể đo được trong nhu cầu ngủ, họ phát hiện ra rằng hoạt động của tế bào hình sao thay đổi linh hoạt trong chu kỳ ngủ-thức, cũng như các tế bào thần kinh. Họ cũng quan sát thấy hoạt động canxi nhiều nhất vào đầu giai đoạn nghỉ ngơi - khi nhu cầu ngủ là lớn nhất - và hoạt động canxi ít nhất vào cuối giai đoạn thử nghiệm, khi nhu cầu ngủ đã tiêu tan.

Tiếp theo, họ để chuột tỉnh táo trong 6 giờ đầu tiên của giai đoạn nghỉ ngơi bình thường và theo dõi hoạt động của canxi thay đổi song song với hoạt động sóng chậm trên điện não đồ khi ngủ, một chỉ báo chính về nhu cầu ngủ. Đó là, họ phát hiện ra rằng thiếu ngủ gây ra sự gia tăng hoạt động canxi của tế bào hình sao, giảm sau khi chuột được phép ngủ.

Câu hỏi tiếp theo của họ là liệu việc điều khiển hoạt động canxi của tế bào hình sao về mặt di truyền có ảnh hưởng đến việc điều hòa giấc ngủ hay không. Để tìm hiểu, họ đã nghiên cứu những con chuột thiếu một loại protein được gọi là STIM1 một cách chọn lọc trong tế bào hình sao, làm giảm lượng canxi có sẵn. Sau khi bị thiếu ngủ, những con chuột này không ngủ lâu hoặc buồn ngủ như những con chuột bình thường từng được ngủ, điều này càng khẳng định những phát hiện trước đó cho thấy tế bào hình sao đóng một vai trò thiết yếu trong việc điều chỉnh nhu cầu ngủ.

Cuối cùng, họ kiểm tra giả thuyết rằng có lẽ hoạt động canxi của tế bào hình sao chỉ phản ánh hoạt động điện của tế bào thần kinh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hoạt động điện của tế bào thần kinh trở nên đồng bộ hơn trong giấc ngủ không REM và sau khi thiếu ngủ, nhưng các nhà nghiên cứu nhận thấy điều ngược lại là đúng đối với tế bào hình sao, với hoạt động của canxi trở nên kém đồng bộ hơn trong giấc ngủ không REM và sau khi thiếu ngủ.

Ingiosi cho biết: “Điều này cho chúng ta thấy rằng các tế bào hình sao không chỉ tuân theo sự dẫn dắt của các tế bào thần kinh một cách thụ động. "Và bởi vì chúng không nhất thiết phải hiển thị các mô hình hoạt động giống như các tế bào thần kinh, điều này thực sự có thể ám chỉ một vai trò trực tiếp hơn đối với tế bào hình sao trong việc điều chỉnh giấc ngủ và nhu cầu ngủ."

Ingiosi cho biết cần có thêm nhiều nghiên cứu để làm sáng tỏ vai trò của tế bào hình sao trong giấc ngủ và điều hòa giấc ngủ. Cô có kế hoạch nghiên cứu hoạt động canxi của tế bào hình sao trong các phần khác của não đã được chứng minh là quan trọng đối với giấc ngủ và thức. Ngoài ra, cô ấy muốn xem xét sự tương tác của tế bào hình sao với các chất dẫn truyền thần kinh khác nhau trong não để bắt đầu tìm ra cơ chế mà tế bào hình sao có thể thúc đẩy giấc ngủ và nhu cầu ngủ.

Tác giả và giáo sư khoa học y sinh Marcos Frank cho biết: “Những phát hiện trong nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng chúng tôi có thể đã nhìn nhầm chỗ trong hơn 100 năm. "Nó cung cấp bằng chứng mạnh mẽ rằng chúng ta nên nhắm mục tiêu vào các tế bào hình sao để hiểu tại sao và cách chúng ta ngủ, cũng như để phát triển các liệu pháp có thể giúp những người bị rối loạn giấc ngủ và các tình trạng sức khỏe khác liên quan đến giấc ngủ bất thường."

Reference: Ingiosi AM, Hayworth CR, Harvey DO, et al. A Role for Astroglial Calcium in Mammalian Sleep and Sleep Regulation. Curr. Biol, 2020. doi: 10.1016/j.cub.2020.08.052

Sep 25, 2020 | Original story from Washington State University