以下文章来源于瑞沃德生命科学 ,作者瑞沃德
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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。
01
“困意”究竟如何在脑中产生
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。
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02
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。
03
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
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。
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04
腹侧苍白球对于觉醒和动机的调节作用
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。
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05
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。
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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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