Curr Biol︱黄志力课题组发现背侧纹状体多巴胺D1受体阳性神经元调控觉醒
撰文︱郭 涵
责编︱王思珍
帕金森疾病（Parkinson’s disease，PD）是一种神经退行性疾病，其特征为基底神经节（basal, ganglia，BG）多巴胺能神经元进行性丢失，患者伴有严重的睡眠障碍，包括白天过度嗜睡（excessive daytime sleepiness，EDS）等。然而PD患者睡眠障碍的发病机制仍不明确。纹状体是BG的主要信息入口，负责整合谷氨酸、多巴胺和腺苷等神经递质及调质的信息。在正常个体中，纹状体的局部脑血流量在非快速眼动（non-rapid eye movement，NREM）睡眠期相比觉醒期减少，提示纹状体可能调控睡眠与觉醒行为。
PD患者死后脑组织被证明在背侧纹状体具有更高水平的多巴胺D1受体（D1Rs），这可能是由于PD大脑中纹状体多巴胺传递的减少[1]。选择性D1R 激动剂SKF38393已被证明可有效缓解PD猕猴EDS[2]。 此外，选择性D1R激动剂可诱导兔子和大鼠觉醒，而选择性D1R拮抗剂可诱导大鼠的镇静和慢波睡眠[3-5]。基于这些证据，本文研究者假设纹状体 D1R神经元可能参与觉醒的调控。
近日，复旦大学的黄志力课题组在Current Biology上发表了题为“Striatal neurons expressing dopamine D1 receptor promote wakefulness in mice”的文章，阐明背侧纹状体多巴胺D1受体（D1R）阳性神经元调控觉醒的作用和神经环路机制。复旦大学黄志力和曲卫敏教授为本文共同通讯作者，课题组成员董辉、陈泽卡、郭涵及袁向山为论文共同第一作者。研究发现光遗传学激活背侧纹状体D1R神经元诱导小鼠从NREM睡眠到觉醒的快速转变，而抑制纹状体D1R神经元活性，显著减少小鼠觉醒时长。研究结果表明纹状体D1R神经元参与觉醒的调节。（拓展阅读：黄志力课题组最新研究进展，详见“逻辑神经科学”报道：eLife︱黄志力课题组发现觉醒新核团下丘脑室旁核调控觉醒和嗜睡）
为了探究纹状体D1R神经元对觉醒的调节作用，作者采用光遗传学技术激活纹状体D1R神经元，发现小鼠可以快速的由NREM睡眠向觉醒转换，而对REM睡眠没有影响（图1 C-H）。并且随着光刺激频率的增大，向觉醒转换的潜伏期逐渐缩短，NREM睡眠典型的Delta波也逐渐减弱（图1 F, I），表明纹状体D1R神经元参与觉醒的诱导。
图1 光遗传激活纹状体D1R神经元诱发觉醒
（图源： Hui Dong et al.,Curr Biol. 2022）
接下来，作者采用光纤钙信号记录纹状体D1R神经元钙信号，探索其神经元活性与自发睡眠觉醒的相关性；以及在声音，足底电击和吹气等显著刺激时，纹状体D1R神经元活性变化情况（图2）。结果表明，纹状体D1R神经元活性随着小鼠由NREM睡眠向觉醒转换，纹状体D1R神经元活性逐渐升高，而由REM睡眠向觉醒转换则没有明显改变，表明纹状体D1R神经元活性与觉醒高度相关（图2 D-F）。而在给予声音、吹气及足底电击等刺激时，均能诱发纹状体D1R神经元活性增高（图2 G,I）。这些研究结果表明纹状体D1R神经元不仅在自发觉醒期间被激活，而且在给予唤醒的显著刺激后也被激活。
图2 纹状体D1R神经元活性在觉醒状态和显着刺激后升高
（图源： Hui Dong et al.,Current Biology, 2022）
背侧纹状体接收来自黑质致密部（substantia nigra pars compacta，SNc）的多巴胺能神经元，以及大脑皮层和丘脑的谷氨酸能神经元的传入，而背侧纹状体的GABA能传入较少。在此，作者探索了背侧纹状体上游核团是否与睡眠-觉醒转换相关。作者采用光纤钙信号记录了特异性投射至背侧纹状体D1R神经元的上游前额叶皮层（prefrontal cortex，PFC）或内侧丘脑（mediodorsal thalamus，MD）的神经元活性（图3）。结果发现PFC和MD神经元活性在自发性觉醒状态最高，并且在给予显著的觉醒刺激后，其钙信号活动也会立即升高，与背侧纹状体D1R神经元钙信号变化一致（图3）。这些发现表明纹状体D1R神经元、PFC 神经元和MD神经元的钙活动与睡眠-觉醒转换高度同步，并且纹状体D1R经活动受PFC和MD神经元的输入调节。
图3 特异性投射至背侧纹状体的皮层和丘脑神经元在觉醒状态和显着刺激后升高
（图源： Hui Dong et al.,Curr Biol. 2022）
为了探究上游核团（PFC、MD和SNc）的信号传入对背侧纹状体诱导觉醒的作用，作者注射腺相关病毒于PFC、MD及SNc中，特异性感染PFC和MD中的谷氨酸能神经元以及SNc中的多巴胺能神经元（图4 A, D, G）。接下来作者采用光遗传刺激三者在纹状体的投射，结果发现均可诱导小鼠由NREM睡眠向觉醒的快速转换，并且NREM睡眠期间典型的Delta波明显下降（图4 B, E, H）。综上，光遗传激活皮质-纹状体、丘脑-纹状体或黑质-纹状体均足以引发觉醒，由此说明三条通路均参与觉醒的诱导。
图4 光遗传激活皮质-纹状体、丘脑-纹状体或黑质-纹状体通路均可促进觉醒
（图源： Hui Dong et al.,Curr Biol. 2022）
内侧苍白球（entopeduncular nucleus，EP，或internal segment of the globus pallidus，GPi）及黑质网状部（substantia nigra pars reticulata，SNr）是纹状体的主要下游。为了进一步阐明纹状体D1R神经元调节觉醒的下游通路，作者将Cre依赖性 ChR2 病毒注射到Drd1a-Cre小鼠的背侧纹状体中，并将光纤套管埋植于下游EP或SNr上方（图5 A，D）。结果发现光遗传激活纹状体-EP及纹状体-SNr通路均增加了小鼠觉醒的概率，NREM睡眠也相对减少（图 5 B,C,E,F），同时降低了小鼠由NREM睡眠向觉醒转换的潜伏期。以上结果提示纹状体D1R神经元通过下游通路（纹状体-EP或纹状体-SNr）参与觉醒的诱导作用。
图5 光遗传激活纹状体-EP或纹状体-SNr通路促进觉醒
（图源： Hui Dong et al.,Curr Biol. 2022）
最后，为了探究纹状体D1R神经元对觉醒调节的必要性。作者向Drd1a-Cre小鼠背侧纹状体注射腺相关病毒（Dio-hM4Di-AAV）（图6 A,B）。结果表明化学遗传学抑制纹状体D1R 神经元后，诱发了小鼠连续三个小时觉醒量的显著减少，NREM 睡眠量显著增加（图6 C,D）。以上发现表明抑制纹状体D1R神经元可增加NREM睡眠并减弱觉醒，提示纹状体D1R神经元对维持觉醒是非常必要的。
图6 化学遗传学抑制纹状体D1R神经元的减少觉醒
（图源： Hui Dong et al.,Curr Biol. 2022）
图7 纹状体多巴胺D1受体阳性神经元调控觉醒的机制
（图源： Hui Dong et al.,Curr Biol. 2022）
在这项研究中，作者发现激活纹状体D1R神经元可诱导小鼠从NREM睡眠快速转变为觉醒状态，并且纹状体D1R 神经元活性在觉醒期间最高。此外，纹状体D1R神经元的活动与上游核团PFC神经元和MD神经元的活动同步。在NREM睡眠期间，光遗传激活纹状体上游通路（PFC-纹状体、MD-纹状体或SNc-纹状体）及下游通路（纹状体-EP或纹状体-SNr）均可诱发小鼠由NREM睡眠快速向觉醒转换（图7）。纹状体D1R神经元的上游和下游构成了其调控觉醒的上下环路。该项研究结果证明了纹状体D1R神经元调控觉醒的重要性，揭示了纹状体D1R神经元调控觉醒的作用及神经环路，为促进PD患者睡眠障碍治疗的发展奠定实验基础。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.12.026
该论文通讯作者为黄志力（第2排左2）和曲卫敏（第1排左3）教授，课题组董辉（第1排左1）、陈泽卡（第5排左2）、郭涵及袁向山（第5排左3）为论文共同第一作者。这项研究得到国家脑科学与类脑科技创新科技重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金以及上海市科技创新行动计划实验动物研究项目，上海市优秀学术带头人计划，上海市科技重大专项的支持。
黄志力实验室成员
（照片提供自：黄志力课题组）
【1】Sci Adv︱陈忠团队提出癫痫药物治疗新思路：电响应型聚多巴胺纳米递药系统
【2】Nat Commun︱邢大军课题组揭示亮度信息处理的脑机制：视觉系统对物体表面亮度编码的策略
【3】STAR Protocols︱赵敏课题组提出物理干预甲基苯丙胺使用障碍心理渴求新方案
【4】Cereb Cortex︱李锵/明东课题组联合揭示轻度认知障碍患者的关键脑白质结构病变
【5】Neuron︱“爱欲与愤怒”：女性社交行为伴随生理状态改变的神经基质
【6】Nat Neurosci︱刘晶晶等揭示下丘脑黑色素聚集激素对海马-背外侧隔环路活性的调控作用
【7】J Neurosci︱梅林实验室揭示产生尖波涟漪和空间工作记忆所必须的信号通路：NRG1/ErbB4
【8】Autophagy︱李晓江团队发现非人灵长类动物模型中SQSTM1对TDP-43胞浆聚集清除的新进展
【9】Nat Neurosci︱曹鹏实验室发现痛觉在物种间生存斗争中的重要功能
【10】Neurosci Bull︱仝黎课题组揭示VTA-PrL神经通路中多巴胺能神经元在大鼠七氟醚全身麻醉中发挥促觉醒作用
参考文献（上下滑动查看）
1.Michael J. Hurley , D.C.M., Peter Jenner, Dopamine D receptor expression in human basal ganglia and changes in Parkinson’s disease. Molecular Brain Research, 2001. 87 (2001) p. 271–279.
2.Hyacinthe, C., Q. Barraud, F. Tison, E. Bezard, and I. Ghorayeb, D1 receptor agonist improves sleep-wake parameters in experimental parkinsonism. Neurobiol Dis, 2014. 63: p. 20-4.
3.Ongini, E., Caporali, M.G., and Massotti, M., Stimulation of dopamine D-1 receptors by SKF 38393 induces EEG desynchronization and behavioral arousal. Life Sci 1985. 37: p. 2327–2333.
4.Ongini, E., and Caporali, M.G, Differential effects of dopamine D-1 and D-2 receptor agonists on EEG activity and behaviour in the rabbit. Neuropharmacology, 1987. 26: p. 355–360.
5.Kropf, W., and Kuschinsky, K, Effects of stimulation of dopamine D1 receptors on the cortical EEG in rats: different influences by a blockade of D2 receptors and by an activation of putative dopamine autoreceptors. Neuropharmacology, 1993. 32: p. 493–500.
制版︱王思珍
本文完