論文解讀：從清醒到睡眠之NREM睡眠中意識(shí)減弱的關(guān)鍵神經(jīng)機(jī)制

研究亮點(diǎn)

 

圖1. 睡眠與清醒狀態(tài)下光遺傳激活V1區(qū)誘導(dǎo)全腦CBV響應(yīng)的功能性超聲成像
 

(A) 示意圖顯示V1區(qū)病毒注射與表達(dá)（左；比例尺1 mm），以及結(jié)合光遺傳刺激、腦電/肌電記錄的功能性超聲成像（右）。黑框?yàn)槌上褚曇啊? 
(B) 典型矢狀面成像顯示V1刺激顯著激活的腦區(qū)（n=17次試驗(yàn)）。各體素活性經(jīng)Z評(píng)分后偽彩顯示。采樣頻率1 Hz。LGd：丘腦背外側(cè)膝狀體復(fù)合體。  
(C) V1與LGd的CBV響應(yīng)曲線。  
(D) 跨小鼠平均的全腦響應(yīng)。虛線框?yàn)槌上褚曇啊? 
(E) V1刺激激活的主要腦區(qū)匯總。虛線標(biāo)示皮層下結(jié)構(gòu)輪廓。  
(F) 示例實(shí)驗(yàn)中前額葉腦電功率譜、肌電及全腦CBV活動(dòng)（底部），包含多個(gè)睡眠-覺醒周期（顏色標(biāo)記）。  
(G) 腦狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的平均全腦CBV活動(dòng)。時(shí)間0為轉(zhuǎn)換點(diǎn)。  
(H) 各腦狀態(tài)下的平均全腦CBV活動(dòng)。每線代表一只小鼠數(shù)據(jù)。  
(I) NREM睡眠與清醒期V1誘發(fā)CBV響應(yīng)的跨小鼠平均值。單試次基線信號(hào)已扣除。紅色橫條：激光刺激時(shí)段。  
(J) NREM與清醒期響應(yīng)振幅差異。各點(diǎn)代表一只小鼠。 

視頻1. 光遺傳激活V1錐體神經(jīng)元誘導(dǎo)全腦CBV響應(yīng)的3D視圖（關(guān)聯(lián)圖1）  

彩色標(biāo)注顯示激活腦區(qū)（n=10只小鼠），右側(cè)標(biāo)注關(guān)鍵腦區(qū)縮寫。除圖1E所示區(qū)域外，體感皮層（SS）與海馬（HIP）也有響應(yīng)。VIS：視覺相關(guān)區(qū)域。  

皮層神經(jīng)活動(dòng)在NREM睡眠期間受到抑制
利用fUSi技術(shù)結(jié)合光遺傳學(xué)，探究了小鼠在不同睡眠狀態(tài)下V1區(qū)神經(jīng)元活動(dòng)的傳播模式。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，NREM睡眠期間，盡管V1區(qū)對(duì)光刺激的直接響應(yīng)與清醒狀態(tài)相似，但V1向高級(jí)皮層（如RSP、ACA）的活動(dòng)傳播顯著減弱，表明NREM睡眠可能選擇性抑制皮層間的信息傳遞。相比之下，皮層下結(jié)構(gòu)如上丘（SC）的響應(yīng)未受影響，而丘腦（TH）活動(dòng)甚至略有增強(qiáng)，提示NREM睡眠對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的調(diào)控具有區(qū)域特異性。REM睡眠期間皮層活動(dòng)傳播強(qiáng)于NREM睡眠，但因數(shù)據(jù)量不足未深入分析。

這些發(fā)現(xiàn)揭示了睡眠狀態(tài)如何動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)大腦信息流，NREM睡眠可能通過抑制皮層間連接促進(jìn)記憶鞏固或神經(jīng)可塑性，而皮層下通路（如丘腦-皮層環(huán)路）可能仍保持一定功能。

NREM睡眠期間ACA錐體神經(jīng)元的快速抑制
通過鈣成像技術(shù)揭示了NREM睡眠期間前扣帶皮層（ACA）錐體神經(jīng)元活動(dòng)的獨(dú)特抑制模式。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然V1區(qū)神經(jīng)元對(duì)光遺傳刺激的反應(yīng)在清醒和NREM睡眠期間無差異，但ACA神經(jīng)元表現(xiàn)出完全相反的反應(yīng)模式：清醒時(shí)呈現(xiàn)強(qiáng)烈興奮，而NREM睡眠時(shí)則出現(xiàn)顯著抑制，活動(dòng)水平甚至低于基線。這一現(xiàn)象在雙光子成像中得到了驗(yàn)證，表明NREM睡眠會(huì)選擇性抑制高級(jí)皮層的信息處理。

研究指出，這種快速抑制機(jī)制可能通過阻斷皮層間的循環(huán)興奮網(wǎng)絡(luò)，防止神經(jīng)活動(dòng)的過度放大，從而解釋了為何NREM睡眠期間缺乏意識(shí)感知。這些發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了fUSi測(cè)量的血流動(dòng)力學(xué)變化確實(shí)反映了神經(jīng)元活動(dòng)的改變，更重要的是揭示了睡眠狀態(tài)依賴的神經(jīng)信息流調(diào)控機(jī)制，為理解意識(shí)產(chǎn)生的神經(jīng)基礎(chǔ)提供了新見解。
 

圖2. 光遺傳激活V1誘導(dǎo)ACA與V1錐體神經(jīng)元鈣信號(hào)成像

(A) 左：鈣成像病毒注射示意圖；右：自由活動(dòng)小鼠光纖記錄方案。  
(B) 示例實(shí)驗(yàn)的前額葉腦電、肌電及V1/ACA鈣信號(hào)。  
(C) 腦狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)V1鈣信號(hào)（左）及各狀態(tài)均值（右）。時(shí)間0為轉(zhuǎn)換點(diǎn)。  
(D) ACA錐體神經(jīng)元鈣信號(hào)的對(duì)應(yīng)分析。  
(E) 光遺傳刺激誘導(dǎo)的V1錐體神經(jīng)元鈣響應(yīng)。插圖：NREM與清醒期響應(yīng)振幅差異。  
(F) V1刺激誘導(dǎo)的ACA錐體神經(jīng)元鈣響應(yīng)。

膽堿能系統(tǒng)對(duì)皮層神經(jīng)活動(dòng)點(diǎn)燃的調(diào)控
研究揭示了基底前腦膽堿能系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)調(diào)控皮層抑制性輸入，決定感覺信息在皮層網(wǎng)絡(luò)中的傳播效率。

通過化學(xué)遺傳學(xué)操控發(fā)現(xiàn)：抑制膽堿能神經(jīng)元會(huì)選擇性減弱清醒期V1至ACA的神經(jīng)活動(dòng)傳播，而激活則能顯著增強(qiáng)NREM睡眠期的傳播強(qiáng)度，甚至將ACA神經(jīng)元典型的抑制反應(yīng)逆轉(zhuǎn)為興奮反應(yīng)。這種調(diào)控具有高度狀態(tài)特異性——膽堿能抑制僅影響本就依賴該系統(tǒng)的清醒期，而激活則可突破NREM睡眠的傳播限制。局部實(shí)驗(yàn)證實(shí)該效應(yīng)獨(dú)立于整體覺醒狀態(tài)改變，且主要通過調(diào)節(jié)皮層局部抑制性環(huán)路實(shí)現(xiàn)。

研究首次建立了"膽堿能信號(hào)-抑制性微環(huán)路-跨皮層信息流"的完整因果鏈條，為理解意識(shí)狀態(tài)相關(guān)的信息處理機(jī)制提供了新范式：膽堿能神經(jīng)元的動(dòng)態(tài)活動(dòng)通過門控皮層間興奮/抑制平衡，決定感覺信息能否被高級(jí)皮層整合，這可能是睡眠-覺醒周期中意識(shí)體驗(yàn)浮沉的重要神經(jīng)基礎(chǔ)。
 

圖3. 基底前腦膽堿能神經(jīng)元化學(xué)遺傳抑制對(duì)V1-ACA活動(dòng)傳播的影響
 

(A) 基底前腦膽堿能神經(jīng)元病毒表達(dá)（比例尺200 μm）。  
(B) 化學(xué)遺傳抑制實(shí)驗(yàn)流程。IP：腹腔注射。  
(C) CNO給藥前后ACA區(qū)CBV響應(yīng)（hM4Di組跨小鼠平均）。  
(D) CNO/生理鹽水處理的振幅差異匯總。
 

圖4. 基底前腦膽堿能神經(jīng)元化學(xué)遺傳激活對(duì)V1-ACA活動(dòng)傳播的影響
 

(A-B) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與病毒表達(dá)（同圖3）。  
(C) hM3Dq組CNO給藥前后ACA區(qū)CBV響應(yīng)。  
(D) 激活處理的振幅差異統(tǒng)計(jì)。

VIP、SST、NDNF和PV GABA能中間神經(jīng)元的作用
研究系統(tǒng)解析了不同抑制性中間神經(jīng)元在睡眠-覺醒周期中對(duì)皮層信息傳遞的差異化調(diào)控。發(fā)現(xiàn)VIP/SST/NDNF神經(jīng)元在清醒期更活躍，而PV神經(jīng)元在NREM睡眠期活性顯著升高，呈現(xiàn)獨(dú)特的"睡眠激活"特性。

通過化學(xué)遺傳學(xué)操控證實(shí)，PV神經(jīng)元是NREM睡眠期抑制高級(jí)皮層信息處理的關(guān)鍵閘門——其激活可抑制清醒期的跨皮層傳播，而失活則解除NREM睡眠期的傳播抑制。NDNF神經(jīng)元雖在NREM睡眠期對(duì)V1刺激有反應(yīng)，但調(diào)控作用較弱，主要在清醒期通過抑制PV神經(jīng)元間接影響網(wǎng)絡(luò)興奮性。

這些發(fā)現(xiàn)揭示了皮層微環(huán)路中"PV神經(jīng)元主導(dǎo)-NDNF神經(jīng)元微調(diào)"的層級(jí)抑制機(jī)制，闡明了睡眠狀態(tài)下感覺信息被高級(jí)皮層阻斷的細(xì)胞基礎(chǔ)，為理解意識(shí)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制提供了新視角。

圖5 VIP/SST/NDNF/PV抑制性中間神經(jīng)元的腦狀態(tài)依賴性活動(dòng)
 

(A) ACA區(qū)VIP神經(jīng)元鈣信號(hào)。A1：示例實(shí)驗(yàn)；A2：狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)活動(dòng)；A3：各狀態(tài)均值。  
(B) V1刺激誘導(dǎo)的VIP神經(jīng)元響應(yīng)。  
(C-H) SST/NDNF/PV神經(jīng)元的對(duì)應(yīng)分析。
 

圖6 ACA區(qū)PV神經(jīng)元化學(xué)遺傳操控對(duì)V1誘發(fā)錐體神經(jīng)元響應(yīng)的影響

(A) 左：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；右：ACA區(qū)GCaMP6s（綠）與PV神經(jīng)元mCherry（紅）共表達(dá)（比例尺200 μm，白框內(nèi)放大圖100 μm）。  
(B) hM3Dq/hM4Di組CNO處理前后錐體神經(jīng)元響應(yīng)曲線。  
(C) 處理前后振幅差異統(tǒng)計(jì)（NREM期hM3Dq與hM4Di組差異p=0.0026）。 

研究總結(jié)
這項(xiàng)《Cell》研究揭示了NREM睡眠中意識(shí)減弱的關(guān)鍵神經(jīng)機(jī)制。
通過多模態(tài)成像及神經(jīng)調(diào)控技術(shù)（fUS、鈣成像、光遺傳學(xué)、化學(xué)遺傳學(xué)），首次發(fā)現(xiàn)基底前腦膽堿能神經(jīng)元通過調(diào)控PV陽(yáng)性抑制性中間神經(jīng)元，在NREM睡眠期選擇性阻斷視覺皮層至前額葉的信息流。該研究不僅闡明了"皮層點(diǎn)燃"抑制的細(xì)胞環(huán)路基礎(chǔ)（膽堿能輸入-PV神經(jīng)元-錐體神經(jīng)元通路），更建立了睡眠-覺醒周期中意識(shí)門控的完整理論框架，為理解意識(shí)障礙疾病提供了新靶點(diǎn)。其創(chuàng)新性在于將宏觀腦網(wǎng)絡(luò)功能與微觀細(xì)胞類型特異性調(diào)控有機(jī)結(jié)合，是意識(shí)神經(jīng)科學(xué)研究的重要突破。

參考文獻(xiàn)
Li B, Ma C, Huang YA, et al. Circuit mechanism for suppression of frontal cortical ignition during NREM sleep. Cell. 2023 Dec 21;186(26):5739-5750.e17. doi: 10.1016/j.cell.2023.11.012.