《自然》子刊:刘丹倩团队在REM睡眠分期和皮层调控研究中取得新进展

来源：生物世界2022-11-25 1:30

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。

快速眼动睡眠(REM sleep)是由美国科学家尤金阿塞林斯基首先发现并定义的。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。

2022年11月17日，中国科学院脑科学与智能技术卓越中心(神经科学研究所)刘丹倩研究组发表了题为《两阶段快速眼动睡眠的皮层调控》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。

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)。

研究小组在观察REM阶段小鼠的面部时，发现除了间歇性的快速动眼期，还有连续的丰富的面部运动，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)。

(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：用HOG算法划分REM睡眠子状态qR

EM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睡眠的分期及转换规律，系统阐释了小鼠在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睡眠分期中均发挥重要作用。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non-REM的功能研究有了快速进展。该研究揭示的REM睡眠分期将促进对REM睡眠功能的解析，并为解析梦境睡眠的复杂性提出了全新思路。

版权声明 本网站所有注明“来源：100医药网”或“来源：bioon”的文字、图片和音视频资料，版权均属于100医药网网站所有。非经授权，任何媒体、网站或个人不得转载，否则将追究法律责任。取得书面授权转载时，须注明“来源：100医药网”。其它来源的文章系转载文章，本网所有转载文章系出于传递更多信息之目的，转载内容不代表本站立场。不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。

87%用户都在用100医药网APP 随时阅读、评论、分享交流 请扫描二维码下载->

医药网新闻