文献精读 | 皮质结构在睡眠-觉醒调控中的作用

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摘  要

ABSTRACT

   皮质和皮质下环路被认为分别在睡眠振荡和全局状态控制的产生中发挥着不同的作用。研究人员通过敲除SNAP25沉默了雄性小鼠的一群神经元，包括新皮质第5层（L5）锥体神经元和海马齿状回的颗粒细胞。结果显著增加了睡眠剥夺后的觉醒时间，并减少了脑电慢波活动的反弹，提示皮质在警觉状态控制和睡眠稳态中发挥重要作用。

背  景

BACKGROUND

    睡眠的持续时间、时间点及结构均受到严格调控。早期研究表明，全局状态转换是由包含脑干、下丘脑、基底前脑在内的分布式环路所介导。最新研究证实，调控睡眠-觉醒的环路是高度复杂的，不同的皮质下脑区及神经元亚型负责着觉醒与睡眠的特定方面。尽管睡眠-觉醒状态是由新皮质和海马振荡的发生来定义的，但以往的研究却忽视了新皮质和海马神经元控制警觉状态的可能性。

   皮质振荡和神经元放电模式反映睡眠稳态。睡眠稳态是指调整睡眠的持续时间和强度，以适应之前清醒的持续时间。NREM睡眠期间的脑电慢波活动（0.5-4Hz）是睡眠-觉醒进程的可靠标志，已被提议作为睡眠相关功能的基础。慢波活动是以局部的、依赖使用的方式被调节，这与“睡眠出现在由代谢产物局部积累驱动的皮质网络中”的观点一致。然而，在麻醉下、孤立的皮质板中甚至离体条件下，均可产生慢波活动。因此，产生慢波的能力并不意味着皮质是生理性睡眠及睡眠稳态的先决条件。

结 果

RESULTS

   为测试皮质结构是否具有调节整体睡眠-觉醒动态的功能。本研究聚焦于新皮质第5层内的锥体神经元以及海马齿状回颗粒细胞，这两种细胞类型已被证实都参与了睡眠振荡的产生。研究人员首先记录了24h不受干扰的环境内，雄性成年C57BL/6小鼠初级运动皮质的层局部场电位（LFP）和多单位活动（MUA），并同时监测了小鼠的脑电（EEG）及肌电（EMG），结果发现第5层神经元倾向于在神经元群体ON期最先放电，主要表现为在OFF-ON转换期神经元放电率更强，并且在ON期神经元第一次放电的潜伏期更短（Extended Data Fig. 1a,b）。这种现象与“L5锥体神经元在皮质慢波形成与传递中具有关键作用”的观点一致。

▲ Extended data fig.1

    为诱导皮质5层锥体神经元输出的减少，研究人员采用了一种转基因小鼠品系：Rbp4-Cre;Ai14;Snap25fl/fl。该模式动物被设计用作功能性沉默皮质L5锥体神经元和齿状回颗粒细胞，原理上敲除SNAP25可破坏钙离子激发的神经递质释放，从而实现神经元的功能性沉默。研究人员同样采用EEG、LFP、MUA研究了敲除皮质SNAP25小鼠的睡眠结构及电生理学。层MUA显示在群体ON期，第5层神经元的放电显著减弱（Fig. 1g）。第5层LFP的慢波振幅及慢波活动水平降低（Fig. 1h,i）。第2/3层神经元的活动模式则相反，慢波振幅和慢波活动均增加（Fig. 1h,i）。此外，敲除皮质SNAP25小鼠的脑电活动在REM睡眠期呈θ波峰频率左移，存在睡眠状态特异性。层特异性与睡眠状态特异性的发现也提示在局部与整体水平评估睡眠电生理学的重要性。

▲ Figure 1

   除外局部和整体的睡眠振荡变化，研究人员还观察到每日睡眠-觉醒特征的基因型差异也很大（Fig. 2a）。虽然对照组动物表现出野生型小鼠典型的睡眠结构（Fig. 2b），但敲除皮质 SNAP25后，动物表现出异常长的清醒次数，通常持续数小时（Fig. 2b,e）。敲除皮质 SNAP25的小鼠每天清醒时长比对照组多约 3 小时，睡眠量成比例减少（Fig. 2c）。基因型之间的差异在黑暗期更为明显（Fig. 2d，黑暗期是小鼠的昼夜节律活跃期，也是一天中稳态睡眠驱动力呈高水平，以致清醒状态延长）。这就提出了一个问题，觉醒的增加是由睡眠稳态还是昼夜节律引起的。

    为了评估自发觉醒期间睡眠稳态驱动的形成，研究人员比较了觉醒期前后的NREM 睡眠期间，脑电慢波活动的水平。如预期，在两组小鼠中，自发觉醒时间与NREM睡眠期慢波睡眠的水平成正比。然而，与对照组小鼠相比，敲除皮质SNAP25后，由觉醒延长所致的慢波活动水平的增幅变小（Fig. 2f），说明敲除皮质SNAP25后，小鼠睡眠-觉醒与慢波活动水平之间的关系发生了变化。

▲ Figure 2

   公认的研究睡眠稳态动态变化的方法是睡眠剥夺 (SD)。通常，睡眠剥夺会导致睡眠总量的小幅增加（尤其是 NREM 睡眠），以及睡眠强度的强烈增加，反映在 NREM 睡眠期间的慢波活动上。然而，结果显示基因型之间的稳态反弹存在显著差异（Fig. 3a-c）。进行睡眠剥夺后，敲除皮质SNAP25组小鼠的睡眠量小于对照组小鼠。此外，睡眠剥夺后，敲除皮质SNAP25组小鼠NREM 睡眠期间脑电慢波活动的初始增加显著减弱（Fig. 3b,c)。

▲ Figure 3

   昼夜节律和睡眠稳态相互作用，共同调控睡眠-觉醒过程，研究人员随后评估了敲除皮质SNAP25小鼠的昼夜节律，结果发现其昼夜节律并未发生改变（Fig. 3d-f）。综上，该研究数据表明，敲除皮质SNAP25可导致体内睡眠稳态驱动减少，却不会影响睡眠的昼夜节律调节。

结 论

CONCLUSION 

    目前尚未完全解析清楚哺乳动物的睡眠调节，我们还不知道睡眠需求在何处以何种形式被编码，以及它如何转化为适当的补偿反应。本研究揭示了皮质在睡眠-觉醒调节中的新作用。研究表明，皮质结构对睡眠稳态和警觉状态的全局控制有积极促进作用。这支持了这样一个假设，即参与睡眠调节的大脑结构远远超出了传统认为的皮层下电路。了解新皮质神经元和旧皮质神经元如何与已建立的睡眠-觉醒调控环路相互作用值得进一步研究。目前的证据显示，第5层锥体神经元纤维广泛投射到与睡眠-觉醒调控相关的核团，如下丘脑、丘脑等，这也提示有必要对相关环路进行系统的研究。此外，新皮质不同神经元类型及海马齿状回颗粒细胞在其中所发挥的作用，也值得进一步深入研究。靶向调控海马与新皮质的投射纤维也有助于进一步解析REM与NREM振荡的关系及它们在整体睡眠-觉醒调控和功能中的作用。

    该研究结果支持一种理论的可能性，即皮质结构以活动依赖的方式在局部产生睡眠驱动，并提出了问题，即皮质可以使用何种机制来产生、感知和/或整合睡眠需求信号。细胞外信号可能存在于炎症和可塑性的分子调节中，或神经胶质相互作用所调节的腺苷水平中。细胞内过程则可能代表了突触磷酸蛋白质组、内质网应激或氧化还原稳态的变化。可以说，必须整合这些局部信号以引发整体的稳态反应，具体表现为升高的皮质慢波活动以及睡眠增加。因与其他皮质、丘脑及位于下丘脑和脑干中睡眠-觉醒调控核团的广泛连接，第5层锥体神经元具有一个得天独厚的位置，使得它不仅可以产生慢波活动，而且可以感知并整合与睡眠需求相关的信号，并最终将信息传递到控制睡眠-觉醒转换的皮质下环路。

原始文献：

Krone, L.B., et al., A role for the cortex in sleep-wake regulation. Nat Neurosci, 2021. 24(9): p. 1210-1215.

编   译：郭    娟

 排   版：刘兴月 

校   审：方    芳

              缪长虹

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