睡眠开关在哪里?《科学》期刊告诉你

以下文章来源于瑞沃德生命科学 ,作者瑞沃德

睡眠是人体的一种主动过程,可以恢复精神和解除疲劳。充足的睡眠、均衡的饮食和适当的运动,是国际社会公认的三项健康标准。医学研究表明,偶尔失眠会造成第二天疲倦和动作不协调,长期失眠则会带来注意力不能集中、记忆出现障碍和工作力不从心等后果。睡眠不足可能会导致精神类疾病(例如抑郁症)、退行性疾病(例如阿尔兹海默症)、免疫力下降、心血管疾病以及代谢紊乱(肥胖、糖尿病),而成年人通常需要 7-9 小时的睡眠时间(此刻科研人员留下了心酸的泪水)。

经典的睡眠调控模型认为,睡眠的调节分为两个方面,昼夜节律和睡眠稳态。昼夜节律通过内在的生物钟控制一天中睡眠觉醒的时间;睡眠稳态主要由睡眠压力进行调控,控制机体获得一定的睡眠量。而对于睡眠 – 觉醒之间的机制研究,科学家们有以下新发现。

” 困意 ” 究竟如何在脑中产生

http://science.sciencemag.org/

中科院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)的徐敏研究组与北京大学李毓龙研究组,合作揭示了 ” 困意 ” 究竟是如何在脑中产生的。

他们发现细胞外腺苷含量在清醒时高,而在非快速睡眠 ( NREM ) 时低。使用光纤记录系统检测新型腺苷探针的荧光变化,科学家们可以看到小鼠在 NREM 期每 0.1 秒之内发生的快速变化。他们首次发现,腺苷在快速眼动睡眠时期也存在很高的浓度,并且高于清醒和非快速眼动期。不仅如此,他们还观察到,腺苷浓度在睡眠不同时期的转变存在快速的变化,这意味着神经元活动与腺苷浓度密切相关。

利用钙成像和光遗传学等技术,他们在小鼠的基底前脑区(BF)找到了负责调控腺苷释放的两类神经元:乙酰胆碱能神经元和谷氨酸能神经元,其中谷氨酸能神经元的活动是引起胞外腺苷积累的主要原因。选择性地切除 BF 谷氨酸能神经元后细胞外腺苷的增加明显减少。此外,选择性损伤 BF 谷氨酸能神经元的小鼠表现出睡眠稳态调节受损,在活动期觉醒明显增加。

Neural control of rapid adenosine dynamics and sleep homeostasis. ( A ) Simultaneous optical recording of the Ca2+ activity and adenosine concentration using GCaMP and GRABAdo reveals neural activity – dependent rapid adenosine dynamics in the mouse basal forebrain ( BF ) during the sleep-wake cycle. ( B ) Optogenetic activation of BF glutamatergic neurons evokes a robust increase of extracellular adenosine. ( C ) Cell type – specific lesion of BF glutamatergic neurons significantly increases wakefulness.

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黑质网状部(SNr)的特定神经元共同调

控” 睡眠 – 觉醒 ” 的大脑状态和运动行为

美国加州大学伯克利分校 Yang Dan 研究组,中科院自动化所韩华团队和韩国科学技术院 Se-Bum Paik 团队共同发现,黑质中存在一个睡眠和运动的共同控制枢纽。黑质中的 GABA 能神经元整合大范围的输入,并通过侧支投射激活多个促进觉醒和运动控制回路。

通过对小鼠的笼养行为进行分析,可以确定四种具有不同水平的大脑唤醒和运动活动的状态:运动、非运动、安静的清醒和睡眠。结合光遗传和在体电生理技术,他们发现睡眠 – 觉醒的大脑状态和运动行为是由黑质网状部 ( SNr ) 的特定群体神经元共同调控的。谷氨酸脱羧酶 2(GAD2)而非小清蛋白 ( PV ) 阳性神经元亚群在低运动活动和觉醒状态下优先活跃,它们的激活或失活分别会影响自然行为转变的方向,并且促进或抑制睡眠。SNr 外侧 PV 神经元在高运动活动状态下放电率较高,其激活或失活则会增加或减少了运动终止。SNr 内侧 GAD2 神经元在低运动活动状态下优先活跃,在抑制运动的同时,它们的激活有力地增强了从清醒到睡眠的过渡。

蓝斑核(LC)- 去甲肾上腺素(NE)的活动

对于睡眠觉醒以及活动应激的具体调控作用

http://advances.sciencemag.org/

睡眠的一个显著特征是对外界刺激的反应性降低,但介导觉醒的相关机制仍不清楚。已有研究提示蓝斑核(LC)去甲肾上腺素(NE)活性对睡眠觉醒以及活动应激的调控作用。

以色列特拉维夫大学团队使用电生理学、行为学、药理学和光遗传学技术以及听觉刺激对行为自由的大鼠进行测试。他们发现,去甲肾上腺素(NE)的减少,降低了声音唤醒 ( SEAs ) 的概率。光遗传学激活 LC 促进觉醒,在睡眠觉醒过渡、脑电图去同步化和瞳孔扩张反应中十分明显;相反抑制 LC 活动引起瞳孔收缩。LC 的短暂失活降低了 NREM 期发生 SEAs 的可能性。因此,LC-NE 的活动决定了感觉唤醒的可能性,而它在睡眠期间的减少是介导行为无反应的关键因素。

Fig. 1. Lower NE signaling decreases the probability of SEAs from NREM sleep. ( A ) Representative EEG and EMG traces showing immediate awakenings ( top ) versus maintained sleep ( bottom ) after auditory stimulation ( 4-kHz pure tone, 1-s duration; orange bars ) in NREM sleep ( left ) and REM sleep ( right ) . ( B ) Probability of awakenings ( % ) as a function of sound intensity in NREM sleep ( purple ) and REM sleep ( dark blue ) . Gray circles show individual subject data ( n = 4 rats ) . ( C ) Schematic of experimental setup for rat arousal threshold experiments ( each lasting ~12 hours during lights on periods, with ~400 tone pips presented every 105 s on average ) . Sounds were delivered intermittently from speaker on top, while animals were continuously monitored with EEG, EMG, and video. In pharmacological experiments, NE drugs were injected intraperitoneally at lights on ( 10:00 a.m. ) . ( D ) Probability of awakenings ( % ) as a function of sound intensity in NREM sleep following administration of detomidine ( α 2 agonist, lower NE; green ) , yohimbine ( α 2 antagonist, higher NE; blue ) , or saline ( gray ) . Note that lower NE decreases awakening probability. Two-way repeated-measures ( RM ) ANOVA, followed by post hoc t tests corrected with false discovery rate ( FDR ) *P < 0.05 and **P < 0.01 in n = 6 rats.

腹侧苍白球对于觉醒和动机的调节作用

https://doi.org/10.1038/s41380-020-00906-0

复旦大学黄志力课题组在之前的研究基础上(伏隔核中的 D1 受体和 D2 受体阳性神经元分别调控觉醒和睡眠)探究腹侧苍白球(VP)对于觉醒和动机的调节作用。使用光纤记录方法发现,腹侧苍白球中抑制性 GABA 能神经元在觉醒期活性升高,而在睡眠期降低,提示 GABA 能神经元可能调控觉醒,变性或抑制此类神经元则可能显著降低觉醒并抑制动机行为。

作者应用化学遗传学和光遗传学技术研究 VP GABA 能神经元在启动或维持觉醒中的潜在因果作用,在体实验中使用光遗传学刺激受腹侧被盖区 ( VTA ) 支配的 VP GABA 能神经元,通过解除 VTA 多巴胺能神经元的抑制,强烈促进觉醒。体外实验显示 VP GABA 能神经元原则上抑制 VTA GABA 能神经元,但也抑制 VTA 多巴胺能神经元。此外,光遗传学刺激 VP GABA 能神经元末端实验显示,它们通过支配外侧下丘脑而促进觉醒,但对中丘脑或外侧缰核无效。

文章系统地阐明了伏隔核 – 腹侧苍白球 – 中脑腹侧被盖区调控动机行为和觉醒的神经环路,表明 VP – GABA 能神经元是觉醒和动机行为的整合中枢,对于动机相关的觉醒必不可少。

Fig.1 Population activity of VP GABAergic neurons across sleep – wake states. a Schematic of in vivo fiber photometry recordings. b Unilateral viral targeting of AAV-EF1 α -DIO-GCaMP6f into the VP of a Vgat-Cre mouse. Right: Viral expression of GCaMP6f and the placement of the fiber-optic probe in the VP. Scale bar = 200 μ m. c GFP-expressing cells were GABA-positive. Scale bar= 20 μ m ( n= 4 mice ) . d Representative fluorescent traces, relative EEG power, and EEG/EMG traces across spontaneous sleep – wake states. e Δ F/F peaks during wakefulness, NREM sleep, and REM sleep. The fluorescent peak values were normalized by the mean Δ F/F peaks during NREM sleep ( n = 4 mice, ten sessions per mouse, **P < 0.01, one-way ANOVA followed by Tukey ’ s post-hoc test ) .

哺乳动物睡眠 / 觉醒新神经通路

—SCNGABA-CRF-LHAORX

在哺乳动物中,位于大脑视交叉上核 ( SCN ) 神经元中的中央昼夜节律时钟调节着睡眠 – 清醒周期。尽管人们已经明确 SCN 在调节睡眠 / 觉醒方面的重要性,但对于来自 SCN 的神经元投射对于睡眠 / 觉醒的调控作用还未清楚。

日本名古屋大学神经科学部研究小组发现了一条新的神经通路,它将哺乳动物的昼夜生物钟、压力和清醒联系在一起。该团队发现了一种被称为皮质激素释放因子(CRF)的神经元,当哺乳动物处于压力之下时,这种神经元会变得过度活跃,从而可能引发失眠和其他睡眠障碍。

光遗传学激活 CRF 神经元通过外侧下丘脑(LHA)的食欲素神经元(Orexin)促进觉醒。体内钙离子记录显示,CRF 神经元在觉醒开始时处于活跃状态。此外,使用化学遗传学抑制 CRF 神经元可以减少运动活动和清醒状态时间。钙成像结果显示,CRF 神经元活性受到 SCN 中 GABA 能神经元的负性调节。

Fig. 1. Optogenetic stimulation of the CRF neurons in the PVN promotes wakefulness. ( A ) Schematic drawing of anterograde tracing experiment ( top ) and fluorescence image of the SCN in a GAD67-Cre mouse injected with AAV-CMV-flex-hrGFP ( bottom ) . ( B ) Fluorescence images of several brain areas in a GAD67-Cre mouse with AAV-CMV-flex-hrGFP injected into the SCN. ( C ) Schematic drawing of optogenetic activation experiment in vivo and fluorescence image of the PVN in a CRF-Cre mouse injected with AAV-CMV-flex-ChR2-EYFP. ( D ) A fluorescence image of ChR2-EYFP ( green ) , CRF ( red ) , and DAPI ( 4 ′ ,6-diamidino-2-phenylindole ) ( blue ) of the PVN in a CRFCre mouse. ( E ) A representative example of the electroencephalography ( EEG ) and electromyography ( EMG ) traces, together with the EEG power spectrum. The blue bar indicates light stimulation ( 10 Hz for 30 s ) . ( F ) Probability of wakefulness and NREM and REM sleep before, during, and after blue light stimulation ( mean ± SD ) . Blue shading areas indicate light flashing. ( G ) Statistical results of the probability of a vigilant state before ( indicated as “b” ) , during, and after blue light stimulation. The mean probability during 12 s ( three epochs ) obtained from ( F ) is shown in the bar graphs ( mean ± SD; n = 5 ) . Blue characters ( 1 to 3 ) indicate during stimulation ( *P < 0.05 versus baseline; one-way repeated-measures analysis of variance with post hoc Tukey-Kramer test, or Friedman test with post hoc Steel-Dwass test ) . PVT, paraventricular thalamus; OVLT, organum vasculosum laminae terminalis; AVPV, anteroventral periventricular nucleus; VMH, ventromedial hypothalamus; D3V, dorsal part of the third ventricle.

使用光遗传学、化学遗传学、光纤记录、钙成像等技术可以对睡眠、觉醒多种运动状态下的动物进行调控研究,关于 ” 睡眠研究 ” 你还有哪些感兴趣的内容,欢迎参与投票。

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