中科院青促會特邀評論員 師樂
（北京大學第六醫院）
評述論文：The sleep-wake cycle regulates brain interstitial fluid tau in mice and CSF tau in humans (Science 24 January 2019)
近年來睡眠對認知功能的調節作用逐漸被研究者所揭示，從實驗室研究到臨床調查均發現睡眠問題可導致認知功能減退[1]，薈萃分析的結果還顯示睡眠障礙是獨立預測阿爾茨海默癥（Alzheimer's disease, AD）、血管性癡呆等不同癡呆類型發生的風險因素[2]，但是睡眠不良影響認知功能甚至導致AD等疾病出現的機制尚不清楚。
傳統觀點認為，腦內β淀粉樣蛋白（β-amyloid，Aβ）沉積和tau蛋白聚集在AD的發生發展過程中發揮著重要作用，這也引起研究者關注睡眠對以Aβ為代表的腦代謝產物的調控效應。利用雙光子成像技術，研究人員發現小鼠睡眠時細胞間隙空間相比于覺醒時增加60%，使得腦脊液與細胞間液的對流交換顯著加強，進而有助于腦內Aβ的清除[3]。利用正電子發射斷層掃描技術，研究者發現經歷整夜的睡眠剝奪后，健康受試者海馬和丘腦的Aβ負擔加重，且這一作用不受APOE基因型的影響[4]。通過侵入式手段獲取不同時期的腦脊液分析Aβ的動力學過程，發現睡眠剝奪可增加Aβ的產生[5]。這一系列基礎和臨床的研究均提示，Aβ生成增多且清除減少可能是介導睡眠不良導致認知減退甚至是AD發生的重要原因。
除Aβ外，tau蛋白被認為是AD發生的另一關鍵因素，尤其是在基于Aβ治療AD的藥物研發失敗后，研究者推測tau蛋白在AD病理進展中的作用是顯著且亟待加強研究的[6]。tau蛋白是微管結合蛋白家族中的一種支架蛋白，主要富集于神經元軸突周圍，以調節、維持微管穩定性并輔助神經元軸突運輸等。當tau蛋白發生過度磷酸化或在神經原纖維纏結和神經纖維網等結構中聚集，就可導致神經元和突觸缺失進而破壞神經可塑性[7]，這被認為是影響AD等發生的重要病理過程。tau蛋白一般位于細胞質，通過神經元釋放到細胞間隙，其釋放程度受神經元活性的調節，神經元活性越高越利于tau蛋白從胞內釋放出來[8]，因此抑制神經元活性減少tau蛋白釋放可能是干預AD進展的有效措施。有研究提示慢波睡眠活動與tau病理過程密切相關[9]，但是睡眠對tau蛋白及其改變的具體作用尚不清楚。那么是否同Aβ一樣，睡眠與覺醒不同時相可動態影響腦內tau蛋白的水平？
在本期《科學》雜志中，來自華盛頓大學醫學院的研究者分別在小鼠和人體上探討了睡眠-覺醒過程對腦內tau蛋白的影響。首先，研究者監測了小鼠海馬細胞間液tau蛋白的動態變化，發現睡眠時tau蛋白水平降低，同時受神經元活性調控的乳酸濃度也發生相同變化，而對小鼠進行急性睡眠剝奪后，其腦內的tau蛋白和乳酸水平會顯著升高。當用河鲀毒素（tetrodotoxin，TTX）抑制神經元活性后，tau蛋白和乳酸水平即使經歷睡眠剝奪也不會升高（圖1），提示睡眠-覺醒過程可通過改變神經元活性影響腦內tau蛋白的水平。
圖1. 不同狀態下小鼠細胞間液tau蛋白和乳酸變化情況。A和B. 正常節律下，tau蛋白展示出晝夜波動的現象。C. 急性睡眠剝奪后tau蛋白水平增加，但給予TTX可抑制tau蛋白的增加。D、E和F. 乳酸的濃度在覺醒時高于睡眠期，而急性睡眠剝奪可增加乳酸水平，但TTX可破壞急性睡眠剝奪對乳酸的影響。
隨后，研究者招募了一組30到60歲留置腰椎導管的受試者，比較了正常睡眠和整夜睡眠剝奪后腦脊液內tau蛋白、神經絲輕鏈（neurofilament light chain, NfL）、α-突觸核蛋白（α-synuclein）和膠質纖維酸性蛋白（astrocytic glial fibrillary acidic protein）等的變化情況，結果顯示整夜睡眠剝奪只增加受試者腦內與神經退行性疾病密切相關的tau蛋白和突觸核蛋白水平，且增加的tau蛋白水平與Aβ濃度呈正相關（圖2）。
接下來，為探索長時間的睡眠剝奪對tau蛋白“播種（seeding）”和“傳播（spreading）”的作用，受試者將重組P301S人tau纖維原注入小鼠海馬腦內，經過28天的睡眠剝奪干預后，外源性tau并沒有在海馬腦區內“播種（seeding）”，而是向與海馬有突觸聯系且發揮維持覺醒作用的藍斑腦區“傳播（spreading）”（圖2）。此外，研究者還發現若不向小鼠腦內注射P301S，僅28天的睡眠剝奪并不增加tau蛋白水平，可能是因為急性增高的可溶tau蛋白可抑制神經元活性進而降低tau蛋白的釋放。
圖2. 急性睡眠剝奪對人腦脊液tau蛋白、α-突觸核蛋白和NfL的影響及慢性睡眠剝奪對小鼠海馬tau蛋白傳播的影響。A、B和C. 急性睡眠剝奪可增加人腦脊液tau蛋白和α-突觸核蛋白水平。D. 增加的tau蛋白水平與Aβ濃度呈正相關。E. 急性睡眠剝奪對NfL無影響。F和G. 慢性睡眠剝奪不改變小鼠海馬腦區內磷酸化tau蛋白水平。H. 慢性睡眠剝奪可增加藍斑與海馬磷酸化tau蛋白的比率。I、J和K. 慢性睡眠剝奪可增加藍斑腦區磷酸化tau蛋白水平。
以上實驗中均采用人為的睡眠剝奪范式，這種方法雖可維持覺醒，但會影響其他過程，如增加睡眠彈性（sleep rebound），因此無法說明增加的tau蛋白是由于覺醒還是睡眠彈性所致。最后，作者采用化學遺傳學的方法特異性調控影響小鼠覺醒的腦區—乳頭上核（supramammillary nucleus），以排除其他過程對tau蛋白的影響，結果發現化學遺傳學誘導的覺醒也可增加腦內tau水平。
總之，該研究發現睡眠時腦內tau蛋白處于較低水平，而急性睡眠剝奪可增加tau蛋白水平，慢性睡眠剝奪可促使tau相關的病理傳播。這是首次在不同物種中闡釋了睡眠對腦內tau蛋白的調控作用，明確睡眠剝奪可誘發tau蛋白相關的病理過程，為深入理解睡眠腦功能，揭示睡眠與tau蛋白相關疾病的關系以及實現腦功能障礙的早期預防奠定了基礎。
參考文獻：
1. Yaffe K, Falvey CM, Hoang T. Connections between sleep and cognition in older adults. Lancet Neurol 2014, 13: 1017-1028.
2. Shi L, Chen SJ, Ma MY, Bao YP, Han Y, Wang YM, et al. Sleep disturbances increase the risk of dementia: A systematic review and meta-analysis. Sleep MedRev 2018, 40: 4-16.
3. Xie L, Kang H, Xu Q, Chen MJ, Liao Y, Thiyagarajan M, et al. Sleep drives metabolite clearance from the adult brain. Science 2013, 342: 373-377.
4. Shokri-Kojori E, Wang GJ, Wiers CE, Demiral SB, Guo M, Kim SW, et al. beta-Amyloid accumulation in the human brain after one night of sleep deprivation. Proc Natl Acad Sci U S A 2018, 115: 4483-4488.
5. Lucey BP, Hicks TJ, McLeland JS, Toedebusch CD, Boyd J, Elbert DL, et al. Effect of sleep on overnight cerebrospinal fluid amyloid beta kinetics. AnnNeurol 2018, 83: 197-204.
6. Li C, Gotz J. Tau-based therapies in neurodegeneration: opportunities and challenges. Nat Rev Drug Discov 2017, 16: 863-883.
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8. Wu JW, Hussaini SA, Bastille IM, Rodriguez GA, Mrejeru A, Rilett K, et al. Neuronal activity enhances tau propagation and tau pathology in vivo. NatNeurosci 2016, 19: 1085-1092.
9. Lucey BP, McCullough A, Landsness EC, Toedebusch CD, McLeland JS, Zaza AM, etal. Reduced non-rapid eye movement sleep is associated with tau pathology inearly Alzheimer's disease. Sci Transl Med 2019, 11.
評述人簡介
師樂
醫學博士，北京大學第六醫院助理研究員。主要從事睡眠與學習記憶關系的研究。
