【Science 重磅】如何唤醒沉睡的你

日常生活中，睡眠与觉醒交替出现。睡眠状态不是浪费时间，它能够帮助人们恢复体能、构建认知能力、调节消化水平等等，是人们赖以生存的必备生理需求。

临床医学研究表明，丘脑中央部分动脉阻塞带来的脑损伤会导致病人严重嗜睡，甚至达到昏迷状态[1]，而丘脑其他部分损伤的患者并无此症状。

丘脑中央部分包含多个脑区：室旁核、连结核、背内侧核、以及前内侧核等。这些核团均接受不同脑区投射，也投射到不同脑区。对于特异性调控睡眠-觉醒节律的丘脑中央核团，我们尚未可知。

丘脑

对于丘脑功能的研究，2018年9月25日《Science》杂志刊登两篇文章，他们分别揭示了丘脑室旁核（Paraventricular thalamus, PVT）在不同脑功能中的神经环路机制。其中，陆军军医大学胡志安研究组发现PVT是维持觉醒状态的关键性脑区，抑制PVT神经活性会促进睡眠，而激活PVT可促进小鼠由睡眠状态转入觉醒状态，并缩短从麻醉中恢复至觉醒所需的时间[2]，极大提高了人们对该领域的认知。

恭喜任栓成博士等作者，恭喜胡志安教授课题组，恭喜共同通讯作者何超博士、谌小维教授课题组。

结果

01

小鼠维持觉醒状态需PVT谷氨酸能神经元的激活

首先，作者通过c-fos表达谱，发现觉醒（24：00时）及延长觉醒状态下，小鼠丘脑各区域中PVT活性最高。为进一步研究PVT神经活性在睡眠-觉醒周期中的动态变化，作者在小鼠PVT中埋植多通道电极，发现清醒状态下，小鼠PVT发放频率最高，而且发放频率的升高早于小鼠觉醒（图1A-F）。

过去研究表明，PVT脑区主要由兴奋性谷氨酸能神经元组成。接下来，为研究PVT中谷氨酸能神经元神经活性在觉醒状态维持过程中的必要性，作者在PVT中注射AAV-CaMKIIα-hM4D-mCherry，发现化学抑制PVT后，小鼠觉醒时间显著减少，而非快速眼动睡眠时间显著加长（图1G-I）。此外，作者使用白喉毒素杀死PVT神经元，发现小鼠在黑暗周期中觉醒时间减少，而且其脑电图2-4Hz高δ波功率显著提高（图1J-K），表明小鼠觉醒状态的维持需要PVT脑区的正常神经活性。

图1 小鼠维持清醒状态需要PVT脑区谷氨酸能神经元被激活

02

光激活PVT脑区谷氨酸能神经元诱发睡眠、麻醉状态下小鼠觉醒

在研究PVT神经元兴奋性对觉醒维持的必要性之后，作者就其充分性展开研究。他们在小鼠PVT中注射AAV-CaMKIIα-ChR2-mCherry，并埋植光纤，在小鼠非快速眼动睡眠或快速眼动睡眠状态下光激活PVT谷氨酸神经元，发现小鼠由睡眠状态转换为觉醒状态，且光激活频率越高，此转换过程越快（图2A-E）。

接着，作者就无意识状态（异氟烷麻醉状态）的觉醒展开研究。他们发现光激活PVT谷氨酸神经元诱发小鼠脑电burst发放，并可促进小鼠恢复意识（图2F-K）。

图2 光激活PVT脑区谷氨酸能神经元诱发睡眠、麻醉状态下小鼠觉醒

03

PVT谷氨酸能使神经元通过PVT-NAc投射调控觉醒状态

解析PVT谷氨酸能神经元在觉醒状态维持过程中的充要性之后，作者就其下游环路功能展开研究，从而了解PVT将觉醒信息传递到大脑何处。

他们在小鼠PVT中注射AAV-CaMKIIα-ChR2-mCherry，发现PVT谷氨酸能神经元在伏隔核（NAc）脑区中有大量投射，且NAc参与觉醒状态的调控[3]。此外，PVT谷氨酸能神经元也投射到内侧前额叶皮层（mPFC）、岛叶皮层等脑区。有趣的是，光激活PVT-NAc环路可诱发睡眠状态小鼠觉醒，而光激活PVT-mPFC与PVT-岛叶皮层则不会（图3A-F）；而化学抑制投射到NAc的PVT谷氨酸神经元会降低小鼠觉醒状态时间，加长非快速眼动睡眠时间（图3G-I）。这些结果表明PVT-NAc投射对觉醒状态的维持至关重要。

图3 PVT谷氨酸能神经元通过PVT-NAc投射调控觉醒状态

04

PVT谷氨酸神经元受LH 食欲素神经元调控

研究完PVT谷氨酸神经元通过哪些下游脑区行使功能后，作者就其上游脑区展开研究，以发现PVT受何脑区、何种神经元调控。

首先，作者通过狂犬病毒逆行示踪PVT谷氨酸神经元，发现其上游神经元包含外侧下丘脑（LH）中食欲素（Hcrt）神经元，此类神经元参与觉醒状态调控[4]。然后，作者在Hcrt-Cre小鼠的LH中注射AAV-DIO-hM4D-mCherry，并在PVT中注射CNO化学抑制LH Hcrt-PVT环路，发现小鼠觉醒时间显著减少，非快速眼动睡眠时间显著延长（图4A-C）。

接着，作者在Hcrt-Cre小鼠的LH中注射AAV-DIO-ChR2-mCherry，在PVT埋植光电极（图4D）。发现光激活LH Hcrt-PVT显著增加PVT神经元的发放频率（图4E），诱导小鼠由睡眠状态转化为觉醒状态（图4F-G），此过程可被Hcrt受体拮抗剂TCS-OX2-29阻断（图4H）。 

图4 PVT接受LH Hcrt神经元投射以调控觉醒状态

总结

日常生活中，我们通常以1/3时间用来睡眠，形成了睡眠-觉醒节律。觉醒过程受丘脑中央部分调控，然而对于其具体脑区、具体神经元类型，我们知之甚少。本篇文章结合神经示踪、电生理、光遗传、化学遗传等方法，首次发现PVT在觉醒状态的调控中起至关重要作用，并找到其功能相关的上、下游脑区，形成LH Hcrt-PVT-NAc环路。激活此环路诱发觉醒，抑制此环路促进睡眠。这项研究极大提高了我们在睡眠-觉醒节律领域的认知，揭示了LH Hcrt-PVT-NAc环路的重要功能（图4I），为中风等无意识状态的临床治疗提供有力帮助！

PVT脑区除了调控觉醒状态之外，也参与联想性学习[5]。欲知后事如何，且听下回分解。

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参考文献

1.Honig, A., et al., Acute bithalamic infarct manifesting as sleep-like coma: A diagnostic challenge. Journal of Clinical Neuroscience, 2016. 34: p. 81-85.

2.Ren, S., et al., The paraventricular thalamus is a critical thalamic area for wakefulness. Science, 2018. 362(6413): p. 429-434.

3.Luo, Y.J., et al., Nucleus accumbens controls wakefulness by a subpopulation of neurons expressing dopamine D1 receptors. Nat Commun, 2018. 9(1): p. 1576.

4.Li, J., Z. Hu, and L. de Lecea, The hypocretins/orexins: integrators of multiple physiological functions. Br J Pharmacol, 2014. 171(2): p. 332-50.

5.Zhu, Y., et al., Dynamic salience processing in paraventricular thalamus gates associative learning. Science, 2018. 362(6413): p. 423-429.