快速眼动睡眠阶段和皮层调节的研究进展

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)刘丹倩研究组在《自然神经科学》上发表了题为《在线》的研究论文。这项研究首次揭示并定义了小鼠REM睡眠的两个阶段：安静阶段和活跃阶段，这两个阶段对应着明显不同的面部表情、自主神经活动和脑电图频谱。使用大规模宽视场荧光钙成像技术，发现小鼠皮层(RSC)在REM睡眠期间被选择性激活，并特异性地启动钙波，这些钙波扩散到整个大脑区域。结合双光子成像、机器学习算法和光遗传学，阐明了RSC在REM睡眠阶段编码和调节中的重要作用。这项工作在理解REM睡眠阶段和调节机制方面取得了重要进展，为探索梦睡眠的复杂性奠定了坚实的基础。

美国科学家尤金阿塞林斯基首先发现并定义了快速眼动睡眠。当他记录儿子的睡眠时，他发现了一种反复出现的睡眠状态，在这种状态下，眼部肌肉高度活跃。后来证实是一种特殊的睡眠状态，即脑电活动低频高幅，躯干肌明显僵直的活动状态。它被定义为快速眼动睡眠，因为它经常伴随着丰富而生动的梦，所以也被称为有梦睡眠。然而，在REM睡眠被发现多年后，为什么大脑皮层中的一种高度活跃状态能够屏蔽外界刺激维持睡眠？为什么做梦？与梦相关的大脑皮层高度活跃的活动有生物学意义吗？他们如何参与高级认知活动(如记忆、情绪加工等。)?这些问题没有明确的答案。从进化的角度来看，快速眼动睡眠存在于鸟类、哺乳动物等具有类脑或大脑皮层的高等动物中。因此，探索快速眼动睡眠时大脑皮层的活动和调节机制，对分析神经系统的进化演化具有重要意义。然而，现有的研究集中在单一的大脑皮层区域，具有局限性。本研究以高时空分辨率大规模检测小鼠整个背侧皮层的钙活动，从全局角度分析REM睡眠调节与大脑皮层活动的关系。

为了探索快速眼动睡眠期间大脑皮层的活动情况，研究小组在Thy1-GCaMP6s转基因小鼠背侧安装了覆盖整个背侧皮层的透明玻璃窗，以观察大脑皮层的全局钙信号，同时监测小鼠的脑电图、肌电图、面部行为和血氧(图A)。首先，本研究发现，大脑皮层在快速眼动睡眠中的活动模式与清醒时明显不同。在空间独立分量分析得到的皮层11个功能模块中，RSC脑区特别在REM睡眠中高度活跃(图A)。结合格兰杰因果关系和时空模体，发现在REM睡眠时大脑皮层存在丰富的钙波，并且这些钙波都特异性地来源于RSC(图B)。双光子显微镜单细胞分辨率的钙成像显示，RSC第二/第三层(而非第五层)的锥体神经元在REM睡眠期间被显著激活，表明RSC的选择性激活也具有细胞层特异性(图C)。

当研究人员观察快速眼动阶段小鼠的面部时，发现除了间歇性的快速眼球运动外，还有持续的面部运动，包括面部咀嚼肌和胡须的运动(图D)。通过面部表情或面部肌电图的特征分析和无监督聚类，发现REM睡眠由两个不同的阶段组成，即没有任何面部运动的安静阶段(qREM)和有面部运动的活跃阶段(aREM，图D)。在这两个REM阶段，面部运动、脑电频谱和自主神经系统活动存在显著差异，REM睡眠总是从qREM向aREM过渡。在REM睡眠期间，RSC第二/第三层神经元的群体活动在时间序列上呈现两种截然不同的模式(图C)，活动模式的切换与qREM aREM的切换相吻合(图E)。通过闭环系统对快速眼动睡眠中RSC活性的特异性抑制，发现小鼠快速眼动睡眠碎片化、qREM aREM转换和aREM维持显著减少，从而阐明了RSC在快速眼动睡眠亚阶段转换中的关键作用(图F)。

该研究首次揭示并定义了快速眼动睡眠的阶段和转换规律，系统解释了快速眼动睡眠期间小鼠大脑皮层的特征性钙波。RSC神经元在介导皮层钙波和调节REM睡眠阶段中起重要作用。近年来，基于非快速眼动睡眠不同阶段的特定神经活动的观察和调节的研究，在非快速眼动睡眠功能的研究方面取得了迅速进展。本研究揭示的快速眼动睡眠阶段将促进快速眼动睡眠功能的分析，并为分析梦睡眠的复杂性提供新的思路。

(a)双通道宽视场荧光成像示意图(第1部分)；睡眠和清醒状态下REM十个功能模块的活动差异(下)。(B)快速眼动睡眠的三个主要钙波(左)；快速眼动睡眠时来自RSC的钙波活动示意图，其中箭头粗细代表RSC与靶区之间钙活动的格兰杰因果值。(c)RSC L2/3神经元的活性通过双光子成像获得，并通过k-均值聚类分成两种类型。该图显示了在快速眼动睡眠期间两种RSC神经元的钙活性。(d)用红外摄像机采集小鼠REM睡眠期间的面部视频(左上)，其中小鼠咀嚼肌位置的眼睛、胡须和脸颊在REM睡眠后期有丰富的运动(右上)。接下来，使用HOG算法来划分快速眼动睡眠子状态qREM和aREM。(e)在REM睡眠子状态qREM到aREM(数据处理标准化qREM和aREM长度为1)的过程中RSC L2/3神经元的钙信号的变化。(f)闭环光遗传实验示意图(一)。快速眼动睡眠期间对RSC兴奋性神经元的特异性抑制阻断了qREM向aREM的转化和aREM的维持(第2部分)。