中科院青促会特邀评论员 师乐
（北京大学第六医院）
评述论文：The sleep-wake cycle regulates brain interstitial fluid tau in mice and CSF tau in humans (Science 24 January 2019)
近年来睡眠对认知功能的调节作用逐渐被研究者所揭示，从实验室研究到临床调查均发现睡眠问题可导致认知功能减退[1]，荟萃分析的结果还显示睡眠障碍是独立预测阿尔茨海默症（Alzheimer's disease, AD）、血管性痴呆等不同痴呆类型发生的风险因素[2]，但是睡眠不良影响认知功能甚至导致AD等疾病出现的机制尚不清楚。
传统观点认为，脑内β淀粉样蛋白（β-amyloid，Aβ）沉积和tau蛋白聚集在AD的发生发展过程中发挥着重要作用，这也引起研究者关注睡眠对以Aβ为代表的脑代谢产物的调控效应。利用双光子成像技术，研究人员发现小鼠睡眠时细胞间隙空间相比于觉醒时增加60%，使得脑脊液与细胞间液的对流交换显著加强，进而有助于脑内Aβ的清除[3]。利用正电子发射断层扫描技术，研究者发现经历整夜的睡眠剥夺后，健康受试者海马和丘脑的Aβ负担加重，且这一作用不受APOE基因型的影响[4]。通过侵入式手段获取不同时期的脑脊液分析Aβ的动力学过程，发现睡眠剥夺可增加Aβ的产生[5]。这一系列基础和临床的研究均提示，Aβ生成增多且清除减少可能是介导睡眠不良导致认知减退甚至是AD发生的重要原因。
除Aβ外，tau蛋白被认为是AD发生的另一关键因素，尤其是在基于Aβ治疗AD的药物研发失败后，研究者推测tau蛋白在AD病理进展中的作用是显著且亟待加强研究的[6]。tau蛋白是微管结合蛋白家族中的一种支架蛋白，主要富集于神经元轴突周围，以调节、维持微管稳定性并辅助神经元轴突运输等。当tau蛋白发生过度磷酸化或在神经原纤维缠结和神经纤维网等结构中聚集，就可导致神经元和突触缺失进而破坏神经可塑性[7]，这被认为是影响AD等发生的重要病理过程。tau蛋白一般位于细胞质，通过神经元释放到细胞间隙，其释放程度受神经元活性的调节，神经元活性越高越利于tau蛋白从胞内释放出来[8]，因此抑制神经元活性减少tau蛋白释放可能是干预AD进展的有效措施。有研究提示慢波睡眠活动与tau病理过程密切相关[9]，但是睡眠对tau蛋白及其改变的具体作用尚不清楚。那么是否同Aβ一样，睡眠与觉醒不同时相可动态影响脑内tau蛋白的水平？
在本期《科学》杂志中，来自华盛顿大学医学院的研究者分别在小鼠和人体上探讨了睡眠-觉醒过程对脑内tau蛋白的影响。首先，研究者监测了小鼠海马细胞间液tau蛋白的动态变化，发现睡眠时tau蛋白水平降低，同时受神经元活性调控的乳酸浓度也发生相同变化，而对小鼠进行急性睡眠剥夺后，其脑内的tau蛋白和乳酸水平会显著升高。当用河鲀毒素（tetrodotoxin，TTX）抑制神经元活性后，tau蛋白和乳酸水平即使经历睡眠剥夺也不会升高（图1），提示睡眠-觉醒过程可通过改变神经元活性影响脑内tau蛋白的水平。
图1. 不同状态下小鼠细胞间液tau蛋白和乳酸变化情况。A和B. 正常节律下，tau蛋白展示出昼夜波动的现象。C. 急性睡眠剥夺后tau蛋白水平增加，但给予TTX可抑制tau蛋白的增加。D、E和F. 乳酸的浓度在觉醒时高于睡眠期，而急性睡眠剥夺可增加乳酸水平，但TTX可破坏急性睡眠剥夺对乳酸的影响。
随后，研究者招募了一组30到60岁留置腰椎导管的受试者，比较了正常睡眠和整夜睡眠剥夺后脑脊液内tau蛋白、神经丝轻链（neurofilament light chain, NfL）、α-突触核蛋白（α-synuclein）和胶质纤维酸性蛋白（astrocytic glial fibrillary acidic protein）等的变化情况，结果显示整夜睡眠剥夺只增加受试者脑内与神经退行性疾病密切相关的tau蛋白和突触核蛋白水平，且增加的tau蛋白水平与Aβ浓度呈正相关（图2）。
接下来，为探索长时间的睡眠剥夺对tau蛋白“播种（seeding）”和“传播（spreading）”的作用，受试者将重组P301S人tau纤维原注入小鼠海马脑内，经过28天的睡眠剥夺干预后，外源性tau并没有在海马脑区内“播种（seeding）”，而是向与海马有突触联系且发挥维持觉醒作用的蓝斑脑区“传播（spreading）”（图2）。此外，研究者还发现若不向小鼠脑内注射P301S，仅28天的睡眠剥夺并不增加tau蛋白水平，可能是因为急性增高的可溶tau蛋白可抑制神经元活性进而降低tau蛋白的释放。
图2. 急性睡眠剥夺对人脑脊液tau蛋白、α-突触核蛋白和NfL的影响及慢性睡眠剥夺对小鼠海马tau蛋白传播的影响。A、B和C. 急性睡眠剥夺可增加人脑脊液tau蛋白和α-突触核蛋白水平。D. 增加的tau蛋白水平与Aβ浓度呈正相关。E. 急性睡眠剥夺对NfL无影响。F和G. 慢性睡眠剥夺不改变小鼠海马脑区内磷酸化tau蛋白水平。H. 慢性睡眠剥夺可增加蓝斑与海马磷酸化tau蛋白的比率。I、J和K. 慢性睡眠剥夺可增加蓝斑脑区磷酸化tau蛋白水平。
以上实验中均采用人为的睡眠剥夺范式，这种方法虽可维持觉醒，但会影响其他过程，如增加睡眠弹性（sleep rebound），因此无法说明增加的tau蛋白是由于觉醒还是睡眠弹性所致。最后，作者采用化学遗传学的方法特异性调控影响小鼠觉醒的脑区—乳头上核（supramammillary nucleus），以排除其他过程对tau蛋白的影响，结果发现化学遗传学诱导的觉醒也可增加脑内tau水平。
总之，该研究发现睡眠时脑内tau蛋白处于较低水平，而急性睡眠剥夺可增加tau蛋白水平，慢性睡眠剥夺可促使tau相关的病理传播。这是首次在不同物种中阐释了睡眠对脑内tau蛋白的调控作用，明确睡眠剥夺可诱发tau蛋白相关的病理过程，为深入理解睡眠脑功能，揭示睡眠与tau蛋白相关疾病的关系以及实现脑功能障碍的早期预防奠定了基础。
参考文献：
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.
7. Spillantini MG, Goedert M. Tau pathology and neurodegeneration. Lancet Neurol2013, 12: 609-622.
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.
评述人简介
师乐
医学博士，北京大学第六医院助理研究员。主要从事睡眠与学习记忆关系的研究。
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