Nature：意外发现！和记忆有关的海马体尖波波纹也能调节血糖
在一项新的针对小鼠的研究中，来自美国纽约大学的研究人员发现称为海马体的大脑区域中的一组已知与记忆形成有关的特殊信号模式也影响着代谢，即饮食营养物转化为血糖（葡萄糖）并作为一种能量来源供应给细胞的过程。相关研究结果于2021年8月11日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“A metabolic function of the hippocampal sharp wave-ripple”。
这项研究围绕着称为神经元的脑细胞进行，这些神经元“放电”（产生电脉冲）以传递信息。近年来，科学家们已发现，海马体神经元群体在数毫秒的周期内相互放电，这种放电模式因它在脑电图（EEG）捕捉到时呈现出的形状而被称为“尖波波纹（sharp wave ripple）”，其中脑电图是一种用电极记录大脑活动的技术。
这项新的研究发现，成簇的海马体尖波波纹在几分钟内就会导致大鼠体内的血糖水平下降。虽然细节有待证实，但是这些研究结果表明，海马体尖波波纹可能调节胰腺和肝脏释放激素（可能包括胰岛素）以及脑垂体释放其他激素的时间。
论文共同通讯作者、纽约大学朗格尼医学中心神经科学与生理学系教授György Buzsáki博士说，“我们的研究首次显示了海马体中成簇的神经元放电可能直接调节代谢。我们并不是说海马体是这一过程的唯一参与者，而是说大脑可能通过尖波波纹在这一过程中有发言权。”
众所周知，胰岛素可以使血糖保持在正常水平，它是由胰腺细胞释放的，不是持续释放，而是周期性地爆发式释放。这些作者表示，由于尖波波纹大多发生在非快速眼动（non-rapid eye movement, NREM）睡眠期间，睡眠障碍对尖波波纹的影响可能为2型糖尿病患者的睡眠不佳和高血糖水平之间提供一个机制上的联系。
Buzsaki团队之前的研究已表明，在NREM睡眠期间，尖波波纹参与了在同一天晚上永久存储每天的记忆，而且他在2019年的一项研究中已发现，当尖波波纹被实验性地延长时，大鼠在迷宫中学习导航的速度更快。
论文第一作者兼论文共同通讯作者、Buzsaki实验室博士后学者David Tingley博士说，“有证据表明，出于效率的原因，大脑进化到使用相同的信号来实现记忆和荷尔蒙调节方面的两种截然不同的功能。”
双重作用
这些作者说，海马体因为具有多种作用是一种很好的候选大脑区域，因为它与其他大脑区域有联系，而且海马体神经元有许多对激素水平敏感的表面蛋白（受体），所以它们可以作为反馈回路的一部分调整自己的活动。这些新的发现表明，作为这种反馈回路的一部分，海马体尖波波纹会降低血糖水平。
Tingley补充说，“动物可能首先发展出一种系统，以有节奏的周期控制激素释放，但当它们后来发展出更复杂的大脑时，就会将同样的机制应用到记忆上。”
这些研究数据还表明，海马体尖波波纹信号通过一种叫做侧隔壁（lateral septum）的中间大脑结构被传达给下丘脑，已知下丘脑支配和影响胰腺和肝脏。这些作者发现，海马体尖波波纹可能只是通过振幅（海马体神经元一次性放电的程度）来影响侧隔壁，而不是通过这些尖波波纹的组合顺序来影响侧隔壁，这种组合顺序可能在其信号到达大脑皮层时编码记忆。
调节身体外周葡萄糖水平的大脑信号。图片来自Nature, 2021, doi:10.1038/d41586-021-02122-4。
与这一理论相一致的是，就像在NREM睡眠期间观察到的那样，每分钟30次以上成簇发生的短时尖波波纹，诱发了外周葡萄糖水平的下降，而且这种下降幅度比孤立的尖波波纹大几倍。重要的是，沉默侧隔膜可以消除海马体尖波波纹对外周葡萄糖的影响。
为了证实海马体神经元放电模式导致了葡萄糖水平的下降，这些作者使用了一种叫做光遗传学的技术，通过重新设计海马体神经元以导入光敏感通道来人为地诱导尖波波纹。通过玻璃纤维对这些神经元进行光照就可诱发尖波波纹，而且这种诱发与大鼠的行为或大脑状态（如休息或觉醒）无关。与大鼠的天然尖波波纹相似，这些合成的尖波波纹降低了葡萄糖的水平。
展望未来，这些作者将寻求扩展其理论，即几种激素可能受到夜间尖波波纹的影响，包括通过开展针对人类患者的研究工作。Buzsaki说，未来的研究还可能开发出能够调整尖波波纹以降低血糖和改善记忆的设备或疗法。
参考资料：
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