Nature Neurosci：睡眠在青少年期大脑发育过程中的全新功能——改善成年社交障碍
北京时间2022年5月26日晚23时，美国斯坦福大学边文杰等在《自然—神经科学》发表论文，揭示了睡眠在青少年期大脑发育过程中的一项全新功能及其环路机制。边文杰博士与Luis de Lecea教授为本文的共同通讯作者。 研究发现，增加青少年期小鼠的睡眠能够显著改善其成年之后的社交行为障碍。
睡眠占据了我们每天将近三分之一的时间，是生命的基本需求。良好的睡眠不仅有助于保障学习、记忆等认知功能，更是维持机体免疫、代谢等稳态平衡所必需的。然而目前为止大部分对于睡眠功能的研究是在成年个体中进行的。
睡眠模式本身随发育呈现出显著的变化过程：在婴幼儿时期，我们每天一大半的时间都在睡觉，随着生长发育的不断进行，我们对睡眠的需求也不断减少，直至进入成年期，睡眠时长稳定在每天7-8小时。
相较于睡眠在成年个体中的功能，人们对它在发育过程中的功能知之甚少。一些早期研究提示在发育期的猫和大鼠中，睡眠影响视觉皮层的突触可塑(Frank et al.,2001; Shaffery et al.,2002)，另一些研究在青少年期小鼠的大脑皮层观察到，睡眠影响树突棘的动态变化(Li et al.,2017; Maret et al.,2011; Yang et al.,2014)。
这些证据提示睡眠在大脑发育过程中，特别是青少年期发育（adolescent development）中，可能扮演特殊的角色，但它具体如何影响大脑功能、是否导致行为水平的变化并不清楚。
有趣的是，在多种神经发育障碍，例如孤独症、精神分裂症中，睡眠障碍出现的比例很高（50-80%），特别是在青少年病人中。更有研究发现，在孤独症病人中，睡眠障碍与社交障碍的严重程度存在显著的正相关(Veatch et al.,2017)。这些证据提示，青少年期的睡眠可能影响社交行为。
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为了探究青少年期睡眠是否直接影响成年后的社交行为，研究人员首先对处于青少年时期（出生后35到42天，P35-42）的小鼠进行了连续五天、每天4小时的睡眠剥夺，然后在成年期（young adulthood，P56）对这些小鼠的社交行为进行检测，结果发现，在三箱社交行为测试中，经历了青少年期睡眠干扰的被试小鼠对已熟悉的小鼠和陌生小鼠表现出同等的兴趣，说明其丧失了对于社会新颖性的偏好（social novelty preference）；而对照组小鼠则表现出强烈的对于陌生小鼠的偏好。
图1
当研究人员在另一个稍晚一些的年龄窗口（P42-49）对小鼠进行同样的睡眠干扰，也能引起类似的偏好丧失，但效果较弱，而当研究人员在成年期之后（> P84）再做同样的操作，则不能引起社交行为的改变，说明这是一种青少年期特有的睡眠功能。
研究人员进一步探究了是何种环路水平的改变导致了这一行为水平上偏好性的丧失。中脑腹侧被盖区（ventral tegmental area，VTA）的多巴胺能神经元（dopaminergic neurons）是大脑奖赏信号多巴胺的主要来源。
VTA的多巴胺能神经元和其下游所投射的伏隔核（nucleus accumbens，NAc）以及前额叶皮层（prefrontal cortex，PFC）组成了中脑-皮层/边缘系统通道，在动机、成瘾和奖赏相关行为中扮演着重要角色。
在社会性动物中，社会性刺激普遍被认为是奖赏性的，因而VTA也调控社会行为。利用遗传编码的钙指示剂GCaMP和光纤记录技术（fiber photometry），研究人员得以实时记录脑内VTA的多巴胺能神经元在小鼠进行社交行为时的神经电活动反应。类似的，通过将光纤记录技术与新型多巴胺荧光探针（GRABDA sensor）相结合，也可以对多巴胺的释放进行直接监测。
图2
两种实验方法得到了相一致的结果。在对照组小鼠中，无论是VTA的神经元响应，还是在NAc的多巴胺释放，都呈现出一种依赖高度于社会新颖性的模式：两者都在被试小鼠最初遇见陌生小鼠的时候反应最大，而随着对该小鼠的熟悉而逐渐降低，而当出现新的社会刺激（新的陌生小鼠）时，又会出现大幅反应。而在经历了青少年期睡眠干扰的小鼠中，这种反应模式消失了，无论VTA神经元还是NAc的多巴胺释放都不再对新的陌生小鼠产生响应。
进一步的，研究人员发现在经历了睡眠干扰的小鼠中，从VTA到NAc的投射被异常加强了，提示青少年期睡眠干扰有可能影响了发育过程中多巴胺能神经元的布线和精确化过程，导致其成年后的多巴胺系统无法对新出现的社会性刺激做出及时有效的响应。
VTA多巴胺神经元本身在不同的睡眠/清醒状态下具有不同的电活动水平。在非快速眼动睡眠（non-rapid-eye-movement sleep, NREM sleep）中，这些神经元大多处于抑制状态，而在清醒和快速眼动睡眠（rapid-eye-movement sleep, REM sleep ）状态，则较为兴奋。
因此，研究人员进一步通过化学遗传学手段对青少年期的VTA总体电活动水平进行操控，结果发现，在正常睡眠的小鼠中人为兴奋VTA神经元，会模拟睡眠干扰的效果，导致成年后社交行为中新颖性偏好的丧失；而如果在睡眠干扰的同时抑制VTA神经元，使其免于被睡眠干扰所兴奋，则能够使睡眠干扰的小鼠也发展出正常的社会新颖性偏好行为。
这些实验说明青少年期正常的睡眠/清醒循环帮助将VTA神经元的兴奋性水平维持在一个合理的范围，避免其在发育过程中被过度兴奋，而后者对形成正常的多巴胺能环路系统和社交行为至关重要。
图3
最后，研究人员利用一种Shank3突变的独孤症小鼠模型，探索了通过增加青少年期睡眠来改善成年后社交行为障碍的可能性。他们发现，通过药理学手段增加青少年期的NREM睡眠，或是通过光遗传手段选择性增加皮层慢波组分（NREM睡眠的重要特征之一），或是通过化学遗传学手段抑制VTA的电活动水平，均可以让Shank3突变小鼠的社交障碍得到大幅度改善，在成年之后的社交行为测试中表现出相对正常的社会新颖性偏好。
综上，此项研究揭示了睡眠在青少年期大脑发育过程中一项全新的功能及其环路机制，拓展了我们对睡眠和社会行为的理解，并对包括孤独症在内的神经发育障碍的行为学干预研究可能具有启示意义。
参考文献：
Wen-Jie Bian, Chelsie L. Brewer, Julie A. Kauer, Luis de Lecea. (2022) Adolescent sleep shapes social novelty preference in mice. Nature Neuroscience. doi: 10.1038/s41593-022-01076-8.
Frank, M.G., Issa, N.P., and Stryker, M.P. (2001). Sleep enhances plasticity in the developing visual cortex. Neuron 30, 275-287.
Li, W., Ma, L., Yang, G., and Gan, W.B. (2017). REM sleep selectively prunes and maintains new synapses in development and learning. Nature neuroscience 20, 427-437.
Maret, S., Faraguna, U., Nelson, A.B., Cirelli, C., and Tononi, G. (2011). Sleep and waking modulate spine turnover in the adolescent mouse cortex. Nature neuroscience 14, 1418-1420.
Shaffery, J.P., Sinton, C.M., Bissette, G., Roffwarg, H.P., and Marks, G.A. (2002). Rapid eye movement sleep deprivation modifies expression of long-term potentiation in visual cortex of immature rats. Neuroscience 110, 431-443.
Veatch, O.J., Sutcliffe, J.S., Warren, Z.E., Keenan, B.T., Potter, M.H., and Malow, B.A. (2017). Shorter sleep duration is associated with social impairment and comorbidities in ASD. Autism Res 10, 1221-1238.
Yang, G., Lai, C.S., Cichon, J., Ma, L., Li, W., and Gan, W.B. (2014). Sleep promotes branch-specific formation of dendritic spines after learning. Science 344, 1173-1178.
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