Nat N+Nat C：中科院神经所刘丹倩组和徐敏组在快速动眼睡眠研究领域取得突破
报道来源：脑科学与智能技术卓越创新中心
《Nature Neuroscience》
2022年11月18日，《Nature Neuroscience》期刊在线发表了题为《Cortical Regulation of Two-stage Rapid Eye Movement Sleep》的研究论文，该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）刘丹倩研究组完成。该研究首次揭示并定义了小鼠快速眼动睡眠（REM睡眠）的两个阶段——安静期和活跃期，其分别对应显著不同的面部表情、自主神经活动和脑电频谱。应用大规模宽场荧光钙成像技术，该研究发现了小鼠压后皮层（RSC）在REM睡眠中选择性激活，并特异性地起始了跨脑区传播的钙波。结合双光子成像、机器学习算法和光遗传学等手段，明确了RSC在REM睡眠分期的编码和调控中的重要作用。该研究实现了对REM睡眠分期和调控机制认识的重大突破，为探究梦境睡眠的复杂性提供了坚实的基础。
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Background
REM睡眠, 最早是由美国科学家Eugene Aserinsky发现并定义的，他在记录儿子睡眠时发现了一种重复出现的睡眠状态:眼部肌肉高度活跃。他后续证实了这是一种特殊的睡眠状态，伴随着脑电活动低频高幅的活跃态、躯干肌肉的明显僵直，并将其定义为REM睡眠。因其常伴随着丰富生动的梦境，也被称之为梦境睡眠。然而在REM睡眠被发现七十多年后，为什么在大脑皮层高度活跃的状态能屏蔽外界刺激以维持睡眠，我们为什么会做梦，梦境中所伴随的高度活跃的大脑皮层活动是否具有生物学意义，它们是如何参与到高级认知活动（比如记忆、情绪处理等），这些问题仍没有明确的答案。从进化上来说，REM睡眠存在于鸟类、哺乳类等具有类大脑皮层的高等动物中，因此研究REM睡眠状态下的大脑皮层活动以及调控机制对于研究神经系统在进化上的演变也有着重要的意义。然而，现有的研究大多是聚焦单个大脑皮层区域，具有很大的局限性。本研究对小鼠的整个背侧皮层的钙活动进行高时空分辨率的大规模检测，从全局的视角来研究REM睡眠调控和大脑皮层活动之间的关系。
为探究REM睡眠的大脑皮层活动，研究团队在Thy1-GCaMP6s转基因小鼠上安装了覆盖全背侧皮层的透明玻璃窗口，以观测全局的大脑皮层的钙信号，并对小鼠的脑电、肌电、面部行为和血氧等进行了同时监测（图A）。该研究首先发现，REM睡眠期大脑皮层的活跃模式与清醒期显著不同，在空间独立成分分析所获得的十一个皮层功能模块中，RSC脑区在REM睡眠特异性地高度活跃（图A）。结合活动时序因果性分析（Granger causality）和时空序列分析（spatiotemporal “motif”），发现REM睡眠中大脑皮层有丰富的跨脑区传播的钙波，这些钙波都特异性地起始于RSC（图B）。利用双光子显微镜进行单细胞分辨率的钙成像，研究人员发现RSC的第二/三层（而非第五层）的锥体神经元在REM睡眠中显著激活，说明RSC的选择性激活还具有细胞层特异性（图C）。
有意思的是，在研究人员观察小鼠REM期的面部视频时，意外地发现除了间歇性的快速眼动之外，还有着持续的丰富面部运动，包括脸部咀嚼肌和胡须等的运动（图D）。通过对面部表情或面部肌电进行特征分析和无监督聚类，研究人员发现REM睡眠包含了两个不同的阶段，即不具任何面部运动的“安静”期（qREM）和具有面部运动的“活跃”期（aREM，图D）。在这两个REM阶段中，面部运动、脑电频谱和自主神经系统活动都存在显著的差异，并且REM睡眠总是从qREM 过渡到aREM。有趣的是，在REM睡眠中，RSC第二/三层神经元的群体活动也呈现明显的两种不同模式的时序发放（图C），而活动模式的切换与qREM→aREM的转换完美吻合（图E）。最后，研究者通过闭环系统在REM睡眠对RSC活动进行特异性抑制，发现小鼠REM睡眠片段化，qREM→ aREM的转换和aREM的维持都有显著降低，从而明确了RSC在REM睡眠亚阶段转换中的关键性作用（图F）。
图注（A）双通道宽场荧光成像示意图（上）；十一个功能模块REM睡眠与清醒状态活动差异（下）。（B）REM睡眠的三种主要钙波（左）；REM睡眠中从RSC起始的钙波活动示意图，其中箭头粗细代表RSC与目标区域间钙活动的格兰杰因果关系值。（C）通过双光子成像得到RSC L2/3神经元活动并通过k-means聚类分成两种类型，图为一段REM睡眠中两类RSC神经元钙活动情况。（D）通过红外相机采集到REM睡眠中小鼠的面部视频（左上），其中小鼠眼睛、胡须和咀嚼肌位置的脸颊在REM睡眠后期有丰富的运动（右上）。下：利用HOG算法划分REM睡眠亚状态---qREM 和aREM。（E）RSC L2/3两类神经元在REM睡眠亚状态qREM到aREM 过程中的钙信号变化（数据处理将qREM和aREM长度标准化到1）。（F）闭环光遗传实验示意图（上）。在REM睡眠中特异性抑制RSC兴奋性神经元阻断了qREM到aREM的转换以及aREM的维持（下）。
该研究首次揭示并定义了REM睡眠的分期及其转换规律，系统描绘了小鼠在REM睡眠中特征性的跨大脑皮层的钙波。RSC神经元在介导皮层钙波和调控REM睡眠分期中均发挥着必不可少的作用。近年来，基于non-REM睡眠的不同分期进行特异性神经活动观测与调控的研究，使得人们对于non-REM的功能理解有了快速进展。该研究中所揭示的REM睡眠分期将极大地促进对REM睡眠功能的精准解析，并为理解梦境睡眠的复杂性提出了全新思路。
该研究由中科院脑智卓越中心的博士研究生董宇凡在刘丹倩研究员的指导下完成，研究组的李嘉琪、周敏、杜熠辉也做出了重要贡献。该研究得到中科院、科技部、基金委、上海市和临港实验室的资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41593-022-01195-2
《Nature Communications》
2022年11月13日，《Nature Communications》期刊在线发表题为《REM Sleep is Associated With Distinct Global Cortical Dynamics and Controlled by Occipital Cortex》的研究论文，该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）徐敏研究组和上海交通大学医学院张思宇研究组合作共同完成。该研究采用大视场钙成像和光遗传技术，发现大脑皮层的动态活动不仅编码了不同睡眠-觉醒状态，还参与了睡眠状态转换的调控,该研究为理解大脑皮层在睡眠-觉醒中的作用提供了新的线索。
Background
在睡眠过程中，大脑仍然非常活跃。不同睡眠-觉醒状态中大脑神经元具有不同的模式，在脑电图上表现为不同频段的电活动。这些大脑皮层活动通常被认为仅仅是不同睡眠状态的反映。然而，作为大脑神经网络的重要组成部分，大脑皮层活动极有可能也参与了睡眠-觉醒周期的调控。
为探究上述问题，研究人员采用近年来发展的大视场钙成像技术，记录并分析了小鼠整个背侧大脑皮层在睡眠-觉醒过程中的活动模式（图1）。
图1
该研究发现枕叶皮层（包括压后皮层，retrosplenial cortex, RSP和视皮层，visual cortex）在快速眼动（rapid-eye-movement, REM）睡眠时期非常活跃。不仅如此，这种活动模式（REM-like state，REM模式）在非快速眼动（non-REM, NREM）睡眠时期也大量存在：NREM睡眠期大脑皮层活动在REM模式和反REM模式（REM-opponent state）之间来回震荡；这种震荡模式的动态变化可以反映REM睡眠的压力，并编码NREM睡眠到REM睡眠的转变（图2）。
图2
上述发现表明枕叶皮层的神经活动与REM睡眠存在密切关联，提示该脑区神经活动极有可能控制了REM睡眠的发生。为验证上述猜想，研究人员通过光遗传手段抑制小鼠枕叶皮层的活动，发现在光抑制期间小鼠REM睡眠大幅减少、NREM睡眠明显增多（图3）。
图3
该工作发现了REM睡眠调控的新机制。REM睡眠通常被认为主要由脑干和下丘脑核团控制，本研究首次揭示了枕叶皮层活动对REM睡眠的发生和维持也具有强大的调控作用。另一方面，该研究提出了一个睡眠时相转换的全新模型。传统观点认为REM睡眠和觉醒期的脑活动具有较高的相似性。然而本研究发现REM睡眠与觉醒期的皮层活动模式具有本质的不同，并且NREM睡眠期大脑皮层在REM样模式和反REM样模式之间反复震荡，这种震荡的动态变化编码和调控了REM睡眠的发生。从概念上讲，本研究发现大脑皮层活动不仅是不同睡眠-觉醒状态的反映，也在睡眠时相转换中具有重要的调控作用。
该研究在中科院脑智卓越中心中心徐敏研究员和上海交通大学医学院张思宇研究员指导下，由博士研究生王紫玥、费翔、刘晓彤、和王彦婕共同完成，脑智卓越中心博士后彭婉玲、复旦大学华山医院博士研究生胡月、华山医院王英伟教授也做出了重要贡献。该工作获得国家自然科学基金委员会、上海市和中科院的资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34720-9