Science︱小鼠快速眼动睡眠由基底外侧杏仁核多巴胺信号调节

Original 郑媛嘉逻辑神经科学 2023-03-10

收录于合集

撰文︱郑媛嘉

责编︱王思珍

睡眠-觉醒状态受去甲肾上腺素能神经元、组胺能神经元、5-羟色胺能神经元的影响，分别位于蓝斑核、丘脑腹背侧内结节乳腺核、中缝背核。这些神经元在清醒状态时快速放电，在非快速眼动（NREM）睡眠时缓慢且偶尔放电，而在快速眼动（REM）睡眠时几乎停止放电[1-2]。腹侧被盖区（VTA）的多巴胺能神经元（DA^VTA神经元）具有与其他单胺能神经元不同的放电模式[3-4]，它们在NREM睡眠期间表现出低于清醒或REM睡眠期间的活动，在NREM-REM和NREM-清醒转化的过渡期前开始增加[5]。DA^VTA神经元由具有不同输入和输出组织的异质群体组成[6-7]，表明可能存在多个DA^VTA神经元群体，在睡眠-觉醒状态下具有不同的放电模式。

2022年3月4日，日本筑波大学国际综合睡眠医学研究所（WPI-IIIS）的Emi Hasegawa （第一作者）、Takeshi Sakurai（通讯作者）等人在Science上发表了题为“Rapid eye movement sleep is initiated by basolateral amygdala dopamine signaling in mice”的文章。作者在受DA^VTA神经元密集投射的几个脑区检查了整个睡眠-觉醒周期的细胞外多巴胺（DA）水平，使用DA传感器确定了DA^VTA神经元亚群的存在以及其在睡眠-觉醒调节中的不同的作用。

作者首先在小鼠的基底外侧杏仁核（BLA）、伏隔核（NAc）、内侧前额叶皮层（mPFC）和下丘脑外侧区（LHA）表达GRAB_DA（针对DA的由G蛋白偶联受体激活的传感器），并植入光纤进行检测，以研究DA水平与每个睡眠-觉醒状态转换之间的关系。结果发现，在NREM向REM过渡期间，DA有三种动态模式。第一种：在BLA中，DA水平在每次NREM向REM过渡前出现短暂的增加，在REM睡眠期间减少（图1 A-D）。第二种：在NAc中DA水平也显示在NREM向REM睡眠过渡前升高，在REM睡眠期间波动，平均值略高（图1 E-H）。第三种：在mPFC和LHA中，DA水平有类似的时间模式，在REM睡眠期间，DA水平明显下降，而之前没有增加（图1 I-P）。

图1 不同警觉状态下大脑各区域DA水平的时间变化

（图源：Emi Hasegawar, et al.,Science, 2022）

接下来，作者研究了NREM睡眠期间DA在BLA和NAc的增加对睡眠-觉醒状态的影响。作者在DAT-ires-Cre小鼠的DA^VTA神经元中表达了稳定性阶跃功能视蛋白（stabilized step function opsin，SSFO）[8]（图2 A, H），并在BLA或NAc双侧植入光纤进行光遗传刺激（1s）。在NREM睡眠期间，激活BLA的DA光纤引起了向REM睡眠的过渡,REM睡眠在刺激后142.4±33.7秒开始，比在对照组观察到的时间明显提前（图2 B-C）。每30分钟的BLA DA光刺激增加了REM睡眠，每个状态下的脑电图（EEG）并没有因为BLA中DA神经元光刺激而发生明显变化（图2 D-F）。NREM睡眠时间被光遗传学刺激提前终止而缩短了。相比之下，在NREM睡眠期间，NAc中DA光纤维的兴奋并没有引起状态转换（图2 G-J）。每隔30分钟的刺激（1秒）导致NREM睡眠时间轻微增加，清醒时间减少（图2 K-L），与之前研究发现的NAc中直接通路神经元的兴奋会降低清醒程度的结果一致[9]，但这种操作并不影响REM睡眠。兴奋mPFC或LHA的DA纤维也不影响每种状态的数量。这些结果表明BLA中DA的急性增加引起NREM到REM的睡眠转换。相一致地，抑制BLA中DA^VTA则延长了REM睡眠的潜伏期，减少了REM睡眠量，而不影响EEG。

图2 非快速眼动睡眠时，BLA中DA^VTA纤维的光遗传激发可诱导REM睡眠

（图源：Emi Hasegawar, et al., Science, 2022）

有研究表明完全耗竭小鼠的DA可消除REM睡眠，而应用多巴胺受体D2（Drd2）激动剂治疗可恢复[10]，另有研究表明低剂量的Drd2激动剂增加了REM睡眠，大剂量的Drd2激动剂则减少了REM睡眠[11]。这些发现提示Drd2参与REM睡眠的调节。结合图1结果，作者假设DA作用于BLA的Drd2阳性神经元以启动REM睡眠。

为了验证这一假说，首先，作者在Drd2-Cre;DAT-ires-Cre小鼠的DA^VTA神经元中表达SSFO后，对BLA Drd2阳性神经元进行了全细胞记录，发现用光刺激DA光纤（1秒）诱发了持久的超极化，并可被Drd2拮抗剂阻断（图3 A-D），表明DA通过Drd2抑制了BLA中的Drd2神经元。接着，作者在Drd2-Cre小鼠BLA的Drd2神经元中表达了vLWO（即低波长蛋白，可与G蛋白偶联并通过光诱导超极化），全细胞记录显示，光脉冲（462 nm，1Hz，40秒）引起增强型黄色荧光蛋白（EYFP）阳性神经元的持久超极化，与DA光纤被激发时观察到的超极化类似（图3 E-H），表明BLA Drd2阳性细胞的光遗传抑制诱导了REM睡眠。再接着，作者在表达vLWO的Drd2-Cre小鼠的BLA中植入光纤后对Drd2神经元进行光遗传抑制会引起NREM向REM睡眠的过渡（图3 I-J）。REM睡眠在刺激后89.2±20.3秒开始，比对照组明显提前；每30分钟的一次光脉冲可增加REM睡眠量，减少NREM睡眠，不影响EEG谱（图3 L-N），但NREM睡眠的持续时间缩短（图3 K-O），表明对Drd2细胞的抑制引起BLA神经元的抑制作用。另外，Drd2-Cre小鼠BLA中Drd2神经元的化学遗传抑制增加了REM睡眠时间，减少了NREM睡眠时间（图3 Q-S），这进一步支持BLA中Drd2神经元在触发REM睡眠中的重要性。同时，观察到BLA以及杏仁中央核（CeA）的Fos阳性神经元数量增加（图3 P-T），表明BLA中的Drd2神经元主要在BLA内活动。因此，以上这些结果证明BLA中的Drd2阳性神经元介导了NREM睡眠向REM睡眠的转变。

图3 BLA中的Drd2阳性神经元介导了NREM到REM的转变

（图源：Emi Hasegawar, et al., Science, 2022）

惊厥（cataplexy）是REM睡眠侵入清醒状态的一种病理现象。以前的研究表明，Drd2激动剂或拮抗剂分别增加或减少嗜睡狗和小鼠的惊厥[12-14]。那么，BLA中的DA信号是否也参与了惊厥的出现？为此，作者在嗜睡症小鼠（ orexin-ataxin 3）[15]的BLA中表达了GRAB_DA，并植入光纤以观察DA水平和惊厥之间的关系（图4 A），同时给小鼠喂食巧克力以增加惊厥样发作的次数[16]。惊厥样发作（cataplexylike episodes，CLEs）的特点是突然发生的行为停顿[17]。

首先，作者观察到，在吃巧克力时，DA水平有短暂的增加，随后出现CLEs；饲喂巧克力期间，嗜睡症小鼠BLA中DA水平的增加大于在对照组（图4 B-C）。然后，在表达了SSFO的DAT-ires-Cre小鼠DA^VTA神经元中，光刺激1秒使VTA SSFO阳性细胞的Fos表达增加，引起DA水平的短暂增加（图4 D-E），这类似于前述嗜睡症小鼠在惊厥前喂食巧克力时观察到的情况。在表达了vLWO的Drd2-Cre小鼠中，在清醒状态下BLA光遗传抑制（1Hz，1min）引起CLEs，诱发CLEs期间的EEG谱与嗜睡症小鼠惊厥期间观察到的相似（图4 D-H），同时光遗传抑制后BLA中Fos阳性神经元数量增加（图4 I）。再然后，作者将AAV-DIO-hM4DimCherry注射到Drd2-Cre;orexin-ataxin 3小鼠BLA中，以研究BLA中Drd2阳性神经元的化学遗传抑制对惊厥的影响，发现CNO（氯氮平-N-氧化物）治疗增加了惊厥发作的总时间和次数，也增加了BLA和CeA中Fos阳性神经元数量（图4 J-M）。这些结果整体表明BLA中DA水平的短暂升高会引发惊厥，即证明BLA DA信号也参与小鼠惊厥的出现。

图4 BLA中DA水平的急性增加引发了嗜睡症小鼠的惊厥现象

（图源：Emi Hasegawar, et al., Science, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

睡眠主要为非快速眼动（NREM）睡眠和快速眼动（REM）睡眠的交替进行，但目前对这一睡眠周期产生的相关机制研究并不深入。杏仁核在清醒状态下对处理情绪信号方面起着关键作用。本研究利用光纤记录和脑电记录等技术发现，在NREM睡眠期间，基底外侧杏仁核（BLA）的多巴胺（DA）水平急性增加会终止NREM睡眠并启动REM睡眠，并且，DA通过作用于BLA中表达多巴胺受体D2（Drd2）的神经元，诱导NREM向REM过渡。这一机制也可在嗜睡症小鼠中观察到，嗜睡症小鼠的惊厥发作前，BLA中的DA水平会暂时增加，但野生型小鼠不会（图4）。积极的情绪会诱发嗜睡症小鼠BLA中DA的暂时性增加，并触发NREM-REM转换以及相应的DA动态变化。这些结果表明BLA中的DA信号对启动REM睡眠具有关键作用，这为理解睡眠周期的产生提供了神经元机制思路，这些发现也有助于揭示惊厥的机制以及理解REM睡眠异常相关的病理生理学机制，如REM睡眠行为障碍和涉及DA信号异常的疾病（如帕金森病）。