在一項新的針對小鼠的研究中，來自美國紐約大學的研究人員發(fā)現(xiàn)稱為海馬體的大腦區(qū)域中的一組已知與記憶形成有關的特殊信號模式也影響著代謝，即飲食營養(yǎng)物轉化為血糖（葡萄糖）并作為一種能量來源供應給細胞的過程。相關研究結果于2021年8月11日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標題為“A metabolic function of the hippocampal sharp wave-ripple”。
這項研究圍繞著稱為神經(jīng)元的腦細胞進行，這些神經(jīng)元“放電”（產(chǎn)生電脈沖）以傳遞信息。近年來，科學家們已發(fā)現(xiàn)，海馬體神經(jīng)元群體在數(shù)毫秒的周期內(nèi)相互放電，這種放電模式因它在腦電圖（EEG）捕捉到時呈現(xiàn)出的形狀而被稱為“尖波波紋（sharp wave ripple）”，其中腦電圖是一種用電極記錄大腦活動的技術。
這項新的研究發(fā)現(xiàn)，成簇的海馬體尖波波紋在幾分鐘內(nèi)就會導致大鼠體內(nèi)的血糖水平下降。雖然細節(jié)有待證實，但是這些研究結果表明，海馬體尖波波紋可能調(diào)節(jié)胰腺和肝臟釋放激素（可能包括胰島素）以及腦垂體釋放其他激素的時間。
論文共同通訊作者、紐約大學朗格尼醫(yī)學中心神經(jīng)科學與生理學系教授Gy?rgy Buzsáki博士說，“我們的研究首次顯示了海馬體中成簇的神經(jīng)元放電可能直接調(diào)節(jié)代謝。我們并不是說海馬體是這一過程的唯一參與者，而是說大腦可能通過尖波波紋在這一過程中有發(fā)言權?！?/span>
眾所周知，胰島素可以使血糖保持在正常水平，它是由胰腺細胞釋放的，不是持續(xù)釋放，而是周期性地爆發(fā)式釋放。這些作者表示，由于尖波波紋大多發(fā)生在非快速眼動（non-rapid eye movement, NREM）睡眠期間，睡眠障礙對尖波波紋的影響可能為2型糖尿病患者的睡眠不佳和高血糖水平之間提供一個機制上的聯(lián)系。
Buzsaki團隊之前的研究已表明，在NREM睡眠期間，尖波波紋參與了在同一天晚上永久存儲每天的記憶，而且他在2019年的一項研究中已發(fā)現(xiàn)，當尖波波紋被實驗性地延長時，大鼠在迷宮中學習導航的速度更快。
論文第一作者兼論文共同通訊作者、Buzsaki實驗室博士后學者David Tingley博士說，“有證據(jù)表明，出于效率的原因，大腦進化到使用相同的信號來實現(xiàn)記憶和荷爾蒙調(diào)節(jié)方面的兩種截然不同的功能?！?/span>
雙重作用
這些作者說，海馬體因為具有多種作用是一種很好的候選大腦區(qū)域，因為它與其他大腦區(qū)域有聯(lián)系，而且海馬體神經(jīng)元有許多對激素水平敏感的表面蛋白（受體），所以它們可以作為反饋回路的一部分調(diào)整自己的活動。這些新的發(fā)現(xiàn)表明，作為這種反饋回路的一部分，海馬體尖波波紋會降低血糖水平。
Tingley補充說，“動物可能首先發(fā)展出一種系統(tǒng)，以有節(jié)奏的周期控制激素釋放，但當它們后來發(fā)展出更復雜的大腦時，就會將同樣的機制應用到記憶上。”
這些研究數(shù)據(jù)還表明，海馬體尖波波紋信號通過一種叫做側隔壁（lateral septum）的中間大腦結構被傳達給下丘腦，已知下丘腦支配和影響胰腺和肝臟。這些作者發(fā)現(xiàn)，海馬體尖波波紋可能只是通過振幅（海馬體神經(jīng)元一次性放電的程度）來影響側隔壁，而不是通過這些尖波波紋的組合順序來影響側隔壁，這種組合順序可能在其信號到達大腦皮層時編碼記憶。
調(diào)節(jié)身體外周葡萄糖水平的大腦信號。圖片來自Nature, 2021, doi:10.1038/d41586-021-02122-4。
與這一理論相一致的是，就像在NREM睡眠期間觀察到的那樣，每分鐘30次以上成簇發(fā)生的短時尖波波紋，誘發(fā)了外周葡萄糖水平的下降，而且這種下降幅度比孤立的尖波波紋大幾倍。重要的是，沉默側隔膜可以消除海馬體尖波波紋對外周葡萄糖的影響。
為了證實海馬體神經(jīng)元放電模式導致了葡萄糖水平的下降，這些作者使用了一種叫做光遺傳學的技術，通過重新設計海馬體神經(jīng)元以導入光敏感通道來人為地誘導尖波波紋。通過玻璃纖維對這些神經(jīng)元進行光照就可誘發(fā)尖波波紋，而且這種誘發(fā)與大鼠的行為或大腦狀態(tài)（如休息或覺醒）無關。與大鼠的天然尖波波紋相似，這些合成的尖波波紋降低了葡萄糖的水平。
展望未來，這些作者將尋求擴展其理論，即幾種激素可能受到夜間尖波波紋的影響，包括通過開展針對人類患者的研究工作。Buzsaki說，未來的研究還可能開發(fā)出能夠調(diào)整尖波波紋以降低血糖和改善記憶的設備或療法。
參考資料：
David Tingley et al. A metabolic function of the hippocampal sharp wave-ripple. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03811-w.
A brain signal that coordinates thought with metabolism
https://www.nature.com/articles/d41586-021-02122-4
