De rol van peri-synaptische astrocyten in synaptische plasticiteit

Slaap, een alomtegenwoordig gedrag dat zich in het dierenrijk uitstrekt, wordt vooral onderzocht vanuit een gedrags- en celnetwerkperspectief. Omdat rusttoestanden ook worden waargenomen bij dieren met verschillende organisaties van het zenuwstelsel, rijzen de vragen of we moleculaire correlaten van slaap kunnen vinden op een kleinere eenheid: een individuele cel, en of dergelijke correlaten verschillend zijn, afhankelijk van de identiteit van de cel. Door middel van een uitgebreide en onbevooroordeelde analyse van transcriptomische profielen over waakzaamheidstoestanden in het centrale brein van volwassen Drosophila, hebben we moleculaire correlaten van toestanden gedurende de slaap-waakcyclus op eencellig niveau ontleed. Single-cell RNA-sequencing heeft de oplossing opgeleverd om de verschillende celpopulaties te onderscheiden die worden beïnvloed door slaap/waakzaamheid, slaapdrift en circadiane tijd. Deze omvatten 214 clusters, waarvan 25 geannoteerde belangrijke celtypen. Veel clusters vertonen specifieke correlaten die de unieke manier benadrukken waarop celidentiteit deze reacties vormgeeft. In overeenstemming met eerdere bevindingen tonen we aan dat de meeste neuronen, ondanks dat ze geen kernklok hebben, ‘cyclers’ tot expressie brengen, d.w.z. transcripten die oscilleren met de circadiane tijd. Wij stellen voor dat deze cyclers kunnen worden gereguleerd door de cellen die de moleculaire klok bevatten; vooral de alomtegenwoordige gliacellen verspreiden zich over de hersenen. We ontdekten dat de clusters met de meeste transcriptionele slaapdrift-correlaties bekende slaaphomeostase-regulerende circuits en gliacellen zijn. Dit omvat de schaarse populaties R5- en dFB-neuronen, waarvan eerder is aangetoond dat ze de slaaphomeostase reguleren, en de wake-bevorderende Tyraminerge, Octopaminerge en niet-PAM-dopaminerge neuronen die inwerken op de slaaphomeostaat. Het subclusteren van klokneuronen maakte duidelijk dat alleen de genexpressie van glutamaterge DN1p-neuronen, en niet die van andere klokneuronsubtypen, correleert met de slaapbehoefte. In het geval van zowel EB-ring- als klokneuronen resulteerde de identificatie van meer homogene subpopulaties in het identificeren van slaapdrift-correlaties specifiek in die populaties die eerdere studies in verband hadden gebracht met slaapregulatie. Deze bevinding onderstreept het belang van clusterhomogeniteit in onze analyses. Interessant is dat we clusters met nog onbekende identiteiten hebben geïdentificeerd met een zeer dynamisch transcriptomisch profiel met toenemende slaapdrift. Dit zal de moeite waard zijn om in de toekomst te onderzoeken om ons begrip van slaapregulerende circuits verder te vervolledigen. Onze data maakten de vergelijking mogelijk van de celpopulaties die worden beïnvloed door de circadiane klok met de celpopulaties die worden beïnvloed door de slaaphomeostaat, die de twee processen omvat die de slaap controleren. Terwijl de meeste celtypen transcriptomische profielen meer veranderen bij het ene proces dan bij het andere, doen gliacellen dat bij beide, wat erop wijst dat ze beide processen integreren. Het verstoren van de gliale moleculaire klok resulteerde specifiek in verlies van homeostatische rebound-slaap. Gezien de belangrijke rol van gliacellen bij de slaapregulatie en het waarnemen van de slaapbehoefte, wilden we een genetisch hulpmiddel ontwikkelen dat zich met hoge precisie zou kunnen richten op de belangrijkste gliaklasse, astrocyten. Zoals eerder beschreven in de optische lobben van Drosophila, hebben we geen transcriptionele verschillen tussen astrocyten gevonden, wat het vermogen belemmert om stuurlijnen te genereren die zich op specifieke regionale astrocyten kunnen richten. Daarom hebben we een bestaand genetisch hulpmiddel aangepast om astrocyten te targeten die zich in de buurt van een neuronaal circuit naar keuze bevinden. Specificiteit en efficiëntie van de labeling worden bepaald door de keuze van de algemeen beschikbare neurale drivers. Met deze tool hebben we aangetoond dat lokale astrocyten van het Mushroom Body (MB) verbinding maken met het Ellipsoid Body (EB), dat slaapregulerende subpopulaties bevat. Een neuronale verbinding tussen deze hersenstructuren is niet eerder gerapporteerd. Het identificeren van glia als de verbindende cellen tussen MB en EB biedt verdere ondersteuning voor het idee dat glia neuronale slaapbehoeften waarnemen, deze informatie integreren met instructies van hun moleculaire klok en de geïntegreerde informatie overbrengen naar de R5-neuronen die het juiste stroomafwaartse gedrag sturen. We hebben verschillende transcriptomische correlaten ontdekt die verband houden met slaap, waakzaamheid, slaapdrift en circadiane ritmes door de moleculaire dynamiek van de slaap op cellulair niveau in het volwassen brein van Drosophila te onderzoeken. Opvallend is dat gliacellen naar voren kwamen als bruggen tussen de circadiane klok en de slaaphomeostaat. Met behulp van een genetisch hulpmiddel om lokale astrocyten te labelen, identificeerden we op dezelfde manier glia als cellen die twee hersengebieden verbinden die betrokken zijn bij slaapregulatie. Beide onderzoekslijnen bieden nieuwe middelen die ons begrip van slaap en de rol die gliacellen daarin spelen in de toekomst kunnen vergroten.