睡的不踏实？是大脑防御系统在作怪！眼动追踪直观展示小鼠睡眠期和觉醒期的防御反应

原文题目：The subthalamic corticotropin-releasing hormone neurons mediate adaptive REM sleep responses to threat；

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.12.033

点击文末“阅读原文”可跳转至文献原文

睡眠是物种的本能行为之一，是物种生存繁衍的重要需求和基本保障。睡眠分为两种不同的状态:非快速眼动睡眠（non-rapid eye movement，NREM）和快速眼动睡眠（rapid eye movement，REM）。这两种状态从脑电波，眼动，脑血流变化等方面都截然不同（图1）。NREM睡眠又称慢波睡眠，特点是全脑神经元同步化放电，大脑处于低活动状态，类似于“睡的深，睡的香”的状态；而REM睡眠呈现快速，去同步化放电，大脑整体活动水平较高。REM睡眠增加是暴露于应激源的啮齿类动物和患应激相关精神疾病的人类中常见的睡眠模式改变。这意味着快速眼动睡眠在应对压力源中的功能作用。基于REM睡眠后常伴随着周期性的短暂觉醒现象，早在1966年美国心理生理学家Frederick Snyder就提出REM睡眠或许扮演“哨兵功能”，认为REM睡眠期间，动物能够监测周围环境并做好天敌攻击时逃跑的准备，但多年来没有人提供细致的神经生物学证据。

图1 快速眼动(D)和非快速眼动(E)睡眠状态的脑电图、肌电图和高速摄像机跟踪到的不同状态下的小鼠瞳孔变化

TMT：三甲基噻唑啉（trimethylthiazoline），模拟捕食者的气味。

自然界中，动物如何在睡梦中同时保持威胁到来时的快速觉醒和规律的深度睡眠呢？2022年1月21日，Neuron（IF:16.2）杂志在线发表了题为“The subthalamic corticotropin-releasing hormone neurons mediate adaptive REM sleep responses to threat”的研究论文，确定了内侧丘脑底核(mSTN)中表达促肾上腺皮质激素释放激素(CRH)的神经元，这些神经元在REM睡眠和觉醒期间通过多种感觉模式介导对急性捕食者威胁的觉醒和防御反应（图2）。研究结果表明，适应性快速眼动睡眠反应可以保护人类免受威胁，并揭示了其基础神经回路的关键组成部分。

文章亮点

👉掠食性气味在REM睡眠期比NREM睡眠期更快速地引起觉醒；

👉mSTN-CRH神经元介导了REM睡眠期和觉醒期的防御反应；

👉REM睡眠期活跃的神经元在两种状态下都是防御反应的基础；

👉持续的捕食者压力增加REM睡眠，且由mSTN-CRH神经元调节；

图2 mSTN-CRH-LGP神经环路调控REM睡眠和防御行为

动物的大脑早早进化出了防御系统，利用感官探测来自捕食者或其他因素的威胁。嗅觉或视觉的威胁刺激可以使动物增加觉醒和防御行为，而睡眠过程升高了对外界刺激响应阈值，十分影响野外动物的生存。因此能够在睡眠中快速觉醒提升防御能力对于最大化动物生存至关重要。

自然睡眠通常包括闭眼和阻止视觉感知外部信号。研究使用自主研发的小动物眼动监测设备来检测小鼠的眼动状态，小鼠被固定在金属头部固定架中，下方放置一个半径为20厘米的泡沫球，使小鼠可以在球上自由奔跑（图3）。通过旋转编码器测量球的旋转变化，计算小鼠的运动速度。小鼠瞳孔暴露于940nm近红外光下，采用200帧/秒的高速摄像机跟踪小鼠瞳孔的运动，摄像机设置与小鼠左眼光轴方向一致。头部固定的老鼠可以在脑电图/肌电图信号下睡觉，就像那些自然睡眠或睁着眼睛睡觉的老鼠一样。使用微米计将每帧视频中瞳孔的像素大小转换为实际瞳孔大小，单位为毫米。使用LabVIEW编写的自定义软件对视频进行分析，并在实验过程中对采集到的瞳孔位置和直径数据进行同步处理。采用Feret直径定义瞳孔直径，以避免眼球旋转引起的误差。

图3 设备示意图

图4 研究方法及实验路线图

实验首先检测了处于快速眼动睡眠状态的动物是否会对捕食者的刺激做出反应，结果表明，相比NREM睡眠，在REM睡眠期间给予动物天敌气味刺激能够更快唤醒小鼠，提示REM睡眠潜在“防御天敌”的功能（图5），并且解析出一条从丘脑底核（mSTN）促肾上腺皮质激素释放激素（CRH）神经元投射到外侧苍白球（LGP）的神经环路，介导REM睡眠下对天敌刺激的响应（图4）。

图5 mSTN-CRH神经元在不同状态下对天敌线索的反应

通过小动物眼动监测设备来检测小鼠的睡眠状态，ΔF/F可以定量mSTN-CRH活性。

实验通过抑制神经元活性进一步测试小鼠是否依赖mSTN-CRH活动来介导不同状态下的觉醒和防御行为（图6A）。发现抑制神经元活性会延长REM睡眠期的觉醒潜伏期，但不影响NREM睡眠期的觉醒潜伏期（图6C）。同时测量了抑制神经元活性后小鼠睡眠期间的瞳孔直径，发现相对于未受抑制的小鼠，mSTN-CRH神经元的抑制使REM睡眠觉醒后瞳孔大小的增加明显减小（图6E）。以上结果说明mSTN-CRH神经元在REM睡眠和觉醒期觉醒和防御反应中十分必要。光遗传学实验证明mSTN-CRH神经元的激活可以在REM睡眠期间促进觉醒对嗅觉掠食线索的反应。在动物觉醒情况下，这群神经元同样参与对本能恐惧刺激的调节。

图6 抑制神经元活性后，通过小动物眼动监测设备来检测小鼠睡眠期间的瞳孔直径

如果快速眼动睡眠状态使动物能快速觉醒，那持续暴露于捕食者压力应激下的小鼠应该会提高快速眼动睡眠的时间，这是由mSTN-CRH活性介导的。本研究设计了一种范式，将小鼠连续暴露于大鼠中，以测试自然捕食者单独产生的影响。实验发现持续的捕食者暴露导致小鼠REM睡眠结构显著改变，表现为REM睡眠时间的延长和清醒、NREM和REM睡眠状态之间的转换增加。而使用化学遗传学在造模期间抑制mSTN-CRH神经元活性则消除了小鼠REM睡眠结构的改变。研究进一步在单细胞水平上测定mSTN-CRH活性来确定mSTN-CRH神经元的功能异质性，结果表明mSTN-CRH神经元可能由功能相似的不同亚型组成。

随着进化，同样的防御系统可能被用来应对如社会压力等其他威胁，动物的天敌应激和人类的慢性应激会产生相似的心理生理变化，慢性不可预知的应激也会诱发啮齿类动物的抑郁样行为。这项研究为临床观察到的快速眼动睡眠增加与应激相关情绪障碍显著共存现象提供了一个潜在的进化解释，并阐明了潜在的神经生物学机制。该研究证明的这种控制睡眠改变的能力，可能为研究REM睡眠失调对这些情绪障碍的发生和维持所产生的功能影响提供了一个强有力的工具。

- E N D -

扫码加好友领取文献原文添加微信请备注：姓名-单位-索取文献

往期回顾

👉Cell(IF:64.5)：阿尔茨海默病治疗新启示，DNA双链断裂引发的基因组结构破坏