Nat Neurosci：电梯偶遇促成合作，发现睡眠相关的新神经元类型
纽约大学的一个神经科学家团队最近发现了一类独特的神经元，它们与所有的主要神经元、细胞和中间神经元是不同时启动的。该研究团队发现了一个非常有意思的现象，这类特定的神经元在个体非快速眼动睡眠（NREM）的DOWN阶段最活跃，而此时其他类型的神经元都是不活跃的。
进行该研究的研究人员之一György Buzsáki说：“与科学界常见的情况相似，我们的发现也是非常偶然的。我们通过收集大脑皮层深层的睡眠记录观察到，一些罕见的神经元的活动在“深度睡眠”阶段偶尔会出现峰值。我们原本的预期是没有神经元会在这一阶段出现峰值，因为我们通常的认知是DOWN阶段，神经元应当是完全呈不活跃状态的（没有尖峰的），我们也是以此作为该睡眠阶段的识别特征的。
样本记录显示，在非快速眼动睡眠的DOWN阶段（浅灰色轨迹），DOWN阶段活跃细胞（黑点）的动作电位出现了峰值，并且伴随着附近锥体细胞（红点）和其他抑制性中间神经元（蓝点）的动作电位。左侧的脑组织切片显示了穿过所有皮质层的电极位置束。（组织学可能不重要）。图片来源：Valero等人
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新皮质是大脑皮层中的一组皮层，每晚它会从短暂（持续50-300毫秒）的DOWN阶段中重启数千次。Buzsáki和他的同事在研究中发现了一类神经元，在非快速眼动睡眠的DOWN阶段，这类神经元在所有其他神经元（即兴奋性锥体神经元和抑制性神经元）处于静默状态时却最活跃。通过后续的实验，他们发现这类神经元是神经胶质细胞，它们位于新皮质的深层，并且特异性地表达了ID2和Nkx2.1基因。
通过对这类神经元更加深入的研究Buzsáki和他的同事们观察到，在所有的清醒状态下（即哺乳动物清醒和入睡时），该类神经元与所有其他已知类型的神经元都呈现完全拮抗的关系。这一结果表明，此类神经元可能承担着一种独特的功能，这也使它们与大脑中的所有其他细胞区别开来。
Buzsáki解释道：“之所以包括我们以及其他其它相关方向研究者在内的研究人员都没能更早地发现这类神经元，是因为它们非常罕见，需要从行为动物的大量神经元群中进行记录。通过从动物身上收集的几份大脑活动记录，我们发现在调查的数百个神经元中，我们或是没有发现一个，或是只发现了一个，在极个别情况下发现了两个或更多的此类神经元。考虑到这类神经元所具备的独特的新奇性和可疑性，我们团队的博士后研究员Manuel Valero决定通过检测所有已知的中间神经元（在动物行为/睡眠的时候，这些中间神经元由于自身的分子特性，能够被识别出来）来进行大规模的实验。”
最开始的时候，Valero检验的是一组一氧化氮表达神经元（nNOSs），因为先前的研究结果表明，挥发性分子一氧化氮在非快速眼动睡眠阶段起到了关键的增强慢脑波的作用。他们发现了一个非常有意思的结果，一小部分nNOS在非快速眼动睡眠的DOWN阶段被激活了。
细胞内充满lD2/Nkx2.1基因的神经元胞体、树突和轴突树枝状结构的三维重建。图片来源：Valero等人。
Buzsáki说：“一天，我们在学校科学大楼的电梯里遇到了一位同事，与他交谈时，他提到他们正在研究一组不同寻常的皮质深层的神经胶质细胞，他们认为对这类细胞的研究是非常重要的，因为在灵长类动物的大脑中，只有这种中间神经元群的数量增加得不成比例。我这位同事将这类神经元称为ID2/Nkx2.1，属于nNOS家族中的一个小的亚组。电梯抵达楼层时，我们愉快地达成了合作协议。”
Manuel Valero随后通过实验证明，当这类独特的中间神经元表达出一种光敏通道时，将神经元大小的微型LED灯照射到细胞上，就能显示出它们的特性。
研究人员通过实验获得的最重要的信息是，几乎所有表达ID2/Nkx2.1的神经元都特定地在非快速眼动睡眠的DOWN状态下表现出了活跃的特定。这一发现可能意义深远，因为它说明这类神经元在哺乳动物或其他人类睡眠时具有与哺乳类动物大脑活动相关的重要生理功能。
Buzsáki说：“在大脑中发现一种新的神经元类型这是一件非常罕见的事情。发现一类神经元的活动在任何可能的方面都与所有其他已知的神经元是对立的，确实出乎我们的意料，这简直就像找到了一只会说英语的狗一样。实验中检测的所有其他中间神经元都抑制了我们在DOWN状态下的活动神经元。正如我们的研究结果所显示的那样，当这类细胞从静默状态重新启动时，它们可能在调整静默状态的持续时间以及影响锥体细胞的募集顺序方面起着关键作用。”
除了确定这类神经元在非快速眼动睡眠阶段的DOWN状态下特别活跃外，Buzsáki和他的同事还通过实验证明，对这类神经元的人工激活会干扰到睡眠所辅助的个体记忆的增强。虽然研究者收集的证据可能不足以推测这类神经元的全部功能，但是它们与其他脑细胞的不同寻常的相互作用表明，它们可能参与了各种不同的神经计算。而未来针对这类神经元的新研究，可能有助于我们更好地了解它们的功能，或许还可以揭示它们在非常特殊的生理过程中所起到的作用。
“我们接下来的研究将围绕一些问题展开，比如：我们能够识别出来的神经元的激活/失活是否会影响个体的睡眠结构？它们是否拥有特殊的受体类型，从而可以被药物选择性地靶向？如果这类神经元在个体清醒的时候出现了活动峰值，那么它们在完成什么活动？它们是在每个皮层区域均匀分布，还是在某些区域富集呢？最后一个问题是，为什么这类神经元在人脑中更常见？”
参考文献：
Sleep down state-active ID2/Nkx2.1 interneurons in the neocortex. Nature Neuroscience(2021).
报道：https://medicalxpress.com/news/2021-03-class-neurons-non-rem.html
编译作者：UTCS（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
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