【脑科学科普】专栏

第036期

# 脑海Yeah 第 44 期 #

文 | 潘高杰

睡眠是生物节律的一种重要形式，人的一生中有三分之一的时间都是在睡眠中度过的，动物体每天在睡眠-觉醒周期之间来回转换，以满足对机体和环境的需求。迄今为止研究的所有动物都显示出睡眠的特征性迹象，包括哺乳动物，鸟类，鱼类，昆虫，蛔虫和水母。事实上，动物没有睡眠是无法生存的。睡眠通常被认为是一种极其脆弱的状态，会危及物种的繁殖。当睡眠中的动物在面临危险时，快速觉醒是充分反应的先决条件。睡眠中的动物是否可以对捕猎者线索做出反应，以及是否存在特定的神经环路在睡眠期间引发快速唤醒和行为防御，目前尚不清楚。

2022年1月23日，中科院深圳先进技术研究院的王立平团队在Neuron发表原著论文，发现与非快速动眼睡眠（NREM）相比，捕猎者刺激会使小鼠立即从快速动眼睡眠（REM）中唤醒，这期间丘脑底核 (mSTN) 中表达促皮质激素释放激素 (CRH) 的神经元(mSTNCRH)发挥了重要作用。 

论文题目

首先作者在小鼠睡眠期(光照阶段)给予嗅觉捕猎者刺激物 TMT 气味，发现TMT 能诱导小鼠快速从REM期而不是NREM期转向觉醒。在体钙信号记录结果显示，在清醒期和REM 睡眠期间给予嗅觉上TMT 刺激以及视觉上虚拟捕猎者大鼠刺激时，均会诱发 mSTNCRH 神经元活动的显着变化，而在 NREM期间给予刺激，却未观察到此现象，提示mSTNCRH神经元在REM期和清醒期中对捕猎者线索刺激发挥了重要作用（图1）。

接下来，为了进一步探究动物是否依赖 mSTNCRH神经元的活动来调节REM 期和清醒期间的唤醒和防御行为，作者通过化学遗传学抑制的方式，有效地抑制了mSTNCRH神经元的活动，结果发现REM期给予嗅觉TMT刺激后，与mCherry对照小鼠相比，在hM4Di小鼠中注射CNO，显著延长了REM到清醒的潜伏期，但不影响NREM 到清醒的潜伏期。此外，在清醒期给予视觉捕猎者刺激时，抑制mSTNCRH神经元的活动，也有效的减少了小鼠的逃逸反应。这些结果表明，mSTNCRH神经元的活动在 REM期和清醒期对于潜在危险的唤醒和防御行为是必需的（图2）。

紧接着，作者又使用了光遗传学的方式，进一步检测激活mSTNCRH神经元的活动在REM期和清醒期间对于潜在危险的唤醒和防御行为的充分性。结果显示：正常情况下，在NREM期激活mSTNCRH神经元能迅速引起小鼠的觉醒，而REM期激活mSTNCRH神经元不能引起小鼠的觉醒，但显著延长了REM时长。在REM睡眠期给予嗅觉TMT刺激后，激活mSTNCRH神经元，能显著降低REM到觉醒的潜伏期，清醒期间给予视觉捕猎者刺激，也有效地增加了小鼠的逃逸反应。这些结果说明了mSTNCRH神经元在 REM 睡眠期和清醒期对威胁检测和风险评估等防御反应方面的关键作用（图3）。

如果REM睡眠可以使动物对威胁做出更好的防御反应，作者预测，持续暴露于捕猎者的小鼠会在 REM 睡眠中花费更多时间，这应该由mSTNCRH神经元活动所介导。于是作者将小鼠暴露于连续施加的压力源环境（与大鼠气味或肢体接触），结果发现，持续的压力源导致小鼠的REM 睡眠时间显着增加，单个REM睡眠持续时间更短、睡眠结构碎片化严重。当化学遗传学抑制mSTNCRH神经元的活动后，能显著逆转这一情况。在面临视觉上迫在眉睫的压力刺激时，化学遗传学抑制mSTNCRH神经元的活动，也显著降低了防御反应。这些发现表明REM睡眠阶段可能对维持动物抵御急性威胁的能力很重要，并且 mSTNCRH神经元与这种行为适应有关（图4）。

接下来，为了研究mSTNCRH神经元的功能异质性，作者在单细胞水平上对 mSTNCRH神经元进行了不同亚型的功能分类。他们从6只小鼠记录到的161个mSTNCRH细胞中发现，在面临压力源时，47.8%的细胞在REM睡眠(REM-max)期间最活跃，6.8%的细胞在清醒期间(wake-max) 最活跃，21.1%的细胞在REM睡眠和清醒期间 (REM/wake-max)都很活跃，此外，只有3.8%的细胞在 NREM 睡眠 (NREM-max) 或两种睡眠状态 (NREM/REM-max) 期间都很活跃，而20.5%的细胞在任何警戒状态下都没有选择性（非特异性）。这些结果表明mSTNCRH神经元可能由功能相似但亚型不同的神经元组成（图5）。

为了更好地理解环路机制，作者又在功能上解析了mSTNCRH神经元的下游结构。他们观测到前连合后肢间质核(IPAC)、外侧苍白球(LGP)和黑质网状核 (SNR)有密集的mSTNCRH神经元末梢。化学遗传学特异性操纵三条环路，发现仅LGP逆行靶向mSTNCRH神经元的化学遗传学激活增强了逃逸反应，而SNR或 IPAC靶向mSTNCRH神经元的激活都没有显着影响。这一结果表明mSTNCRH神经元是通过LGP环路参与调控防御反应的（图6）。

此外，作者也通过将光遗传学和化学遗传学相结合的方式，分别操纵mSTNCRH神经元胞体和mSTNCRH-LGP环路观察行为的变化，他们发现当没有潜在压力源（TMT）时，在NREM期光遗传激活mSTNCRH-LGP环路能迅速引起小鼠的觉醒，而REM期激活mSTNCRH-LGP环路不能引起小鼠的觉醒，且显著延长了REM时长。但如果NREM期在上游进行光遗传学激活mSTNCRH神经元的同时，在下游LGP处进行化学遗传学的抑制，小鼠从NREM到觉醒的潜伏期显著增加，REM期在上游进行光遗传学激活mSTNCRH神经元的同时，在下游LGP处进行化学遗传学的抑制，能显著降低REM时长。在REM期当给予潜在压力源（TMT）刺激时，无论光激活mSTNCRH神经元胞体还是mSTNCRH-LGP下游环路，均能引起快速的觉醒，当光遗传学激活mSTNCRH神经元的同时，在下游LGP处进行化学遗传学的抑制，REM到清醒的潜伏期又显著增加。，这些结果表明在压力状态下mSTNCRH-LGP环路对于调控 REM 睡眠和清醒时的防御反应是十分必要的（图7）。

综上，在持续的压力威胁情况下，mSTNCRH神经元会根据需要调整睡眠-觉醒状态，它们的活动有助于动物在面临急性压力时从睡眠的REM阶段醒来。虽然，现代人类不太可能遇到捕食者攻击，但相同的防御系统可能已被用于应对其他威胁情况，例如社会压力，创伤后应激障碍和重度抑郁症等。这项研究结果为相关疾病提供了可能的解释，并阐明了潜在的神经生物学机制。

原文链接

Tseng YT, Zhao B, Chen S, Ye J, Liu J, Liang L, Ding H, Schaefke B, Yang Q, Wang L, Wang F, Wang L. The subthalamic corticotropin-releasing hormone neurons mediate adaptive REM-sleep responses to threat.

Neuron. 2022 Jan 13:S0896-6273(21)01088-6. 

DOI: 10.1016/j.neuron.2021.12.033

脑科学转化研究院

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