肠道微生物群缺失会显著改变小鼠的睡眠行为，包括影响清醒时间、快速眼动睡眠（REM）和非快速眼动睡眠（NREM）的周期分布。通过代谢组学分析发现，丁酸盐作为关键代谢物，通过调控下丘脑外侧区（LH）食欲素神经元的活性，促进了睡眠。研究进一步验证，补充丁酸盐可以逆转睡眠障碍样行为，为睡眠障碍的干预提供了新的希望。

研究通过一系列实验深入揭示了肠道微生物群与睡眠调节的因果关系。首先，实验结果表明，无菌（GF）小鼠由于缺乏肠道微生物群，其光照期和黑暗期的睡眠-觉醒结构发生显著改变。在12小时光照期，GF小鼠的清醒时间减少，而在12小时黑暗期，GF小鼠的清醒时间显著增加，同时NREM睡眠时间减少。这些现象表明，肠道微生物群是维持正常睡眠周期平衡的重要因素。为了进一步探索肠道微生物群如何影响睡眠行为，研究团队采用代谢组学分析技术，对特定无病原体（SPF）小鼠和无菌小鼠的粪便及下丘脑组织进行了深入研究。在SPF小鼠中，睡眠剥夺（SD）后发现39种粪便代谢物和61种下丘脑代谢物发生了显著变化。进一步筛选后，丁酸盐被确定为睡眠调节的核心代谢物之一。在睡眠剥夺后，SPF小鼠的丁酸盐水平显著下降，而无菌小鼠并未表现出类似变化。实验还发现，通过补充丁酸盐（如三丁酸甘油酯）可以增加NREM睡眠时间并降低清醒时间，进一步验证了丁酸盐在睡眠调节中的关键作用。实验还揭示了丁酸盐调节睡眠的分子机制。丁酸盐通过作用于下丘脑外侧区（LH）的食欲素神经元，调控睡眠行为。Fos表达图谱分析显示，三丁酸甘油酯处理的小鼠，其LH区神经元的活性显著降低，尤其是食欲素神经元的活性减少，而另一种与睡眠相关的MCH神经元活性则未显示明显变化。这表明，丁酸盐通过特异性调控LH区食欲素信号，对睡眠-觉醒周期起到重要调节作用。更进一步的研究在人类模型中提供了支持性证据。研究发现，失眠患者的血清丁酸盐水平显著低于健康对照组，同时其肠道微生物群多样性（如Chao1指数、Simpson指数和Shannon指数）显著降低。尤其是能够产生丁酸盐的菌群显著减少。移植失眠患者的肠道微生物群到无菌小鼠体内后，受体小鼠表现出类似失眠的行为特征，包括光照期清醒时间延长和NREM睡眠时间减少。此外，这些小鼠的血清丁酸盐水平也显著降低，进一步证明肠道微生物群的失衡与丁酸盐代谢障碍在睡眠调节中具有因果关系。为了探索潜在治疗方法，研究团队为失眠小鼠模型提供了丁酸盐补充治疗，连续3周口服丁酸钠显著改善了失眠样行为。丁酸盐不仅增加了NREM睡眠时间，还通过调节脑电图频谱活动，降低清醒状态下的θ频段功率、提升NREM睡眠的θ频段功率和其他频段的功率分布。这些结果表明，丁酸盐补充可以显著逆转失眠样行为，为治疗睡眠障碍提供了科学依据。

原文链接：10.1038/s41380-024-02867-0