Neuron: 浙江大学郭方组揭示果蝇睡眠和觉醒的新环路机制
昼夜节律和睡眠稳态是共同进化而来的生物现象，前者控制人类何时入睡，后者控制每天要睡多久。在果蝇，小鼠和人类中，都能观察到这两种行为共同作用来控制动物的周期性睡眠。随着近年来对各种模式生物的研究，科研人员对分别调控这两种行为的分子和神经通路了解得很多。但在大多数生物中，对节律神经回路如何输出到睡眠中心的连接机制依然未知，使得这成为睡眠领域的一个非常重要的问题。
近日，浙江大学医学院“百人计划”研究员——郭方，以果蝇为模式生物，鉴定出其脑中的背侧昼夜节律神经元APDN1往睡眠稳态中心-椭球体EB-R2投射的神经回路，并将相关成果发表在知名期刊《神经元》（Neuron）上。研究揭示了该神经回路决定睡眠和觉醒水平的作用机制，为阐述昼夜节律回路和睡眠回路的连接机制提供了非常重要的实验依据。
实际大小只有2毫米的果蝇
这项科研工作的第一作者为浙江大学医学院神经生物系郭方研究员，郭方研究员和2017年诺贝尔生理学和医学奖获得者、美国布兰迪斯大学Michael Rosbash教授为本论文的共同通讯作者。
果蝇的昼夜节律神经元APDN1是控制睡眠的阀门，郭方和他的导师Michael Rosbash在以前的研究中已确认了这点。在2016年，约翰霍布金斯大学的科学家们也已鉴定出果蝇中调控睡眠稳态的神经元是椭球体EB-R2。因此研究的主线就落到APDN1与椭球体EB-R2的关系上。
郭方（左）和他的导师 Michael Rosbash
实验中，郭方及其同事们发现果蝇的APDN1神经元有两簇投射，一簇向果蝇大脑前侧，一簇向果蝇大脑后侧。前期的研究中，科学家们关注的是向后的这一簇，它起着抑制果蝇活动的作用，该研究发现了果蝇节律神经元控制睡眠的奥秘。
那么APDN1的前一簇往哪个脑区投射，生物学的功能是什么？
他们利用最新发明的神经回路技术-跨突触显示技术，追踪投射神经元的走向。并通过膨胀显微镜（Expansion Microscopy）放大并透明化果蝇的大脑，发现这簇轴突往前投射到一个叫AOTU的脑区。钙成像技术表明，它们支配着一群特殊的TuBu神经元，并通过其与更高脑区域的睡眠稳态中心-椭球体EB-R2偶联。
最终郭方团队在形态学上鉴定出果蝇的背侧节律神经元APDN1往果蝇的睡眠稳态中心与椭球体EB-R2投射的神经回路。神经元APDN1作为一个“开关”调控着EB-R2，激活APDN会在EB-R2中诱导出类似人类睡眠时的特定振荡模式。
已有的研究发现，当人类进入睡眠时会形成特定频率振荡的脑电波。那么，郭方通过钙成像检测到的果蝇调控睡眠脑区的高频振荡，会不会和高等动物的一样，起着在睡眠时降低对外界反应的作用？
论文中的数据概图，揭示了APDN神经元通过TuBu连接到EB-R2的神经回路及其功能
在实验中，郭方通过机械刺激偶联光遗传学实验来证明自己的假设。当果蝇睡眠时，他每隔半个小时给果蝇一个机械振动，果蝇都会产生受激反应，从睡眠中惊醒，呈现出规律性的高活动，然后再逐渐入睡。
第一个实验，当只激活APDN1神经元时，大脑中振荡波产生。果蝇在受到刺激后懒得动，醒来一下又迅速入睡。
第二个实验，科研人员还通过光遗传学的方式，激活DN1神经元，果蝇进入睡眠，再通过特定波长的绿光抑制EB-R2神经元中的振荡波。通过观察果蝇的行为发现，受到刺激时果蝇会迅速反应，显著的增加了高活动状态，才重新进入睡眠。
通过这些实验，郭方发现，果蝇EB-R2中产生的特定振荡模式是一道“防火墙”，可以”屏蔽”外界信息的输入，让果蝇对外界刺激不敏感。“特定脑区的神经元产生某些频率的共振，可能让神经元锁定在某种状态，使外界信息无法输入。”郭方说，“当通过人为方式打破‘防火墙’时，果蝇无法进入深睡状态。”
同时，郭方也表示，目前尚待解决的科学问题是“防火墙”是如何导致外界信息无法传入，这一神经回路传递信号的递质是什么，具体内部机制有待进一步回答。
对这道睡眠“防火墙”的研究，还是一项起点性的工作。未来，可以通过药物，治愈失眠，让轻度睡眠患者拥有更好的睡眠质量。科研人员也猜想，随着对深度睡眠机制研究的深入，或许以后充足的睡眠不需要8个小时以上，通过调控深度睡眠，在更快时间内补充精力，睡眠2小时精神一整天也不无可能。“那时候，供人类自由支配的时间更长，不用在有限的觉醒，开启‘倍速’人生。”
《神经元》匿名评审专家们对这一研究结果也评价道：“该论文提供了（果蝇）生物钟和睡眠调节之间目前最全面的联系，并为理解高度保守的睡眠和昼夜节律整合的神经机制提供了平台。研究中应用了最先进的遗传工具和实验技术来绘制神经回路。”“这一研究将对该领域产生巨大影响。”
一位匿名专家指出，郭方团队的研究使用多种先进的技术组合提供了令人信服的证据，证明了将昼夜节律神经元连接到睡眠中心的神经回路及其功能。那么他们是如何把这些技术更好地使用到实验中呢？这就要提到郭方和他的同事们研发的“果蝇”盒子专利。
这个实验盒，具有体积轻便，易于操作等优点，利用摄像头持续记录96只果蝇的行为，能高通量地筛选调控果蝇行为的基因和神经回路。
那么这个果蝇盒子是如何想到的呢？
这里先讲一个“失眠果蝇”的故事。和Michael Rosbash教授同时获得去年诺贝尔生理学和医学奖的Jeff Hall教授，在70年代曾和同事在其导师Seymour Benzer教授的实验室里，发现了一些“睡不好”的果蝇：其昼夜节律基因受到突变，很有个性的睡得早，醒得早。于是Seymour Benzer对这些果蝇产生了兴趣，发明了仪器来监测其昼夜节律。
这个神奇的“果蝇”盒子，也是郭方在Rosbash教授实验室里，某一天晚上熬夜做实验，灵机一动想到的。“最早的原型是2015年开始研制，现在已经量产。不仅可以作为果蝇的实验平台，还可以用于记录蚊子、斑马鱼等小型动物的行为”。
郭方说，随着相关实验的引入，他们在这个果蝇盒子里，装上了625nm的红色LED和550nm的绿色LED，能快速对神经元活性进行双向调控。同时也装上了电磁阀控制的睡眠剥夺装置，能定量的对果蝇进行机械刺激，来检测果蝇的觉醒阈值和睡眠深度。
本文转载自浙江大学微信公众号
文字记者：柯溢能
部分内容整合自浙江大学头条号《浙大一项果蝇研究新鲜出炉！有助于探讨未来人类睡眠2小时，精神一整天》
部分图片来源于郭方本人，部分图片来源于网络
今日编辑：芷凌
责任编辑：李灵
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