觉醒是感觉、运动、思维和意识等活动的基础。觉醒不良可引起警觉性降低、注意力涣散以及认知功能下降。因此, 探究觉醒控制机制一直是神经科学关注的重点和研究的难点。早在20世纪20年代, VON ECONOMO[1]发现流行性脑炎病毒造成脑干及下丘脑的损害后, 患者表现出精神不振、严重嗜睡等症状, 由此推测这些脑区包含觉醒调控的神经元核团。近几十年的研究鉴定出一系列与觉醒调控相关的神经元核团, 如蓝斑、背缝核和下丘脑食欲肽神经元等[2-3]。我们实验室长期致力于研究觉醒系统的活动对学习记忆的影响。我们发现觉醒系统可以通过升高前额叶皮层及内嗅皮层的兴奋性促进学习记忆功能[4]。此外, 我们还进一步发现食欲肽能够促进从麻醉和昏迷状态中恢复清醒[5-6]。虽然这些研究加深了我们对觉醒控制机制的认识, 但是损毁上述已被发现的神经元核团仅引起有限的觉醒损害, 并不能诱导出嗜睡或昏迷状态[7]。事实上, 觉醒维持的关键机制研究并未取得根本性突破。本述评拟结合文献和本实验室工作, 介绍丘脑在觉醒控制中的作用。
1 丘脑与觉醒控制丘脑是觉醒上行网状激活系统背侧通路的重要组成部分[8]。丘脑的功能完整性对维持皮层脑电觉醒和整体觉醒状态是必不可少的[9-10]。丘脑由一系列神经元核团组成。这些核团主要以一种高度组织化的方式投射至大脑皮层, 同时也向皮层下结构包括纹状体、杏仁核和海马发出投射。其中, 丘脑特异性核团接受来自皮层下脑区的特定信息输入, 并将这些信息中继至大脑皮层的特定区域。相反的, 丘脑非特异性核团, 如板层内核团和丘脑中线核团, 投射至皮层的广泛区域[11]。因此, 丘脑非特异性核团具有调节广泛皮层区域兴奋性的功能, 如参与调节觉醒活动[12]。同时, 临床研究表明, 卒中所致的旁正中丘脑损害可引起患者出现严重的嗜睡, 甚至昏迷[13], 提示旁正中丘脑参与觉醒的调控。灵长类动物的旁正中丘脑在啮齿类动物(如小鼠)的同源脑区包括丘脑室旁核(paraventricularthalamus, PVT)、连接核、背内侧核和前内侧核等丘脑非特异性核团[14]。但是由于这些丘脑核团具有复杂的解剖结构和神经环路联系, 参与觉醒调控的特定丘脑核团及其神经环路尚未详细阐明。
近期研究表明, 隶属于丘脑非特异性核团的丘脑中央内侧核(centralmedial thalamus)、丘脑腹内侧核(ventromedial thalamic nucleus)和背内侧丘脑(dorsal medial thalamus)的calretinin+神经元直接参与调节睡眠/觉醒期皮层神经元活动, 并介导睡眠期向觉醒期的转换[15-17]。其中, 丘脑中央内侧核的紧张性激活(tonic activation)诱发非快眼动睡眠向觉醒的转化, 而爆发性激活(burst activation)则与睡眠期皮层慢波的同步化有关[16]。MÁTYÁS等[17]报道背内侧丘脑的calretinin+神经元参与不同程度觉醒水平的调控。但是, 这些研究仍未明确回答丘脑对觉醒维持的必要性及其参与觉醒控制的神经环路机制。
2 丘脑室旁核是丘脑中维持觉醒的关键核团2018年10月26日, 我们课题组在SCIENCE杂志发表题为“The paraventricular thalamus is a critical thalamic area for wakefulness”的研究论文, 首次明确报道PVT是觉醒控制的关键脑区, 并解析了PVT调控觉醒的神经环路机制[18]。该研究展示了如何通过丘脑活动的协调转换, 从而实现睡眠/觉醒的发生。迄今为止, 这是丘脑控制觉醒领域最为清晰最为确定的重要发现。
在本研究中, 我们首先观察旁正中丘脑在不同睡眠/觉醒状态下的cfos表达谱, 发现位于中线丘脑的PVT在觉醒或延长觉醒状态下, 表现出最高水平的cfos表达。进一步采用光纤钙成像记录和多通道放电技术监测PVT神经元在睡眠/觉醒周期中的活动规律。我们发现PVT在觉醒期间保持高兴奋性活动, 并且其兴奋性在由睡眠向觉醒转换过程中急剧增高。基于上述结果, 我们推测PVT可能是丘脑中维持觉醒的关键核团。接着, 我们采用化学遗传学技术短时抑制PVT谷氨酸能神经元, 发现可明显降低觉醒量, 引起觉醒片段化, 使得觉醒不能维持; 采用白喉毒素特异性杀死PVT谷氨酸能神经元, 可引起持续性的觉醒损害, 表现为觉醒时间减少、片段化以及觉醒脑电能谱δ频段能量增加。进一步研究发现, 在睡眠期特异地激活PVT谷氨酸能神经元, 可快速诱发睡眠向觉醒转换。而在麻醉状态下, 激活PVT能够增加皮层的兴奋性, 并缩短麻醉向清醒转换所需要的时间。上述结果证实PVT对觉醒维持具有关键作用。
PVT又是如何发挥觉醒调控作用呢？我们发现PVT与皮层下伏隔核(nucleus nucleus accumbens, NAc)之间形成兴奋性的单突触功能联系。激活PVT→NAc通路能诱发睡眠向觉醒的转换。反之, 抑制这一通路则可降低觉醒水平, 表明PVT发挥觉醒调控效应依赖于PVT→NAc通路。采用狂犬病毒逆行单突触示踪技术, 我们发现PVT谷氨酸能神经元接受来自位于外侧下丘脑(lateral hypothalamus, LH)的食欲肽(hypocretin, Hcrt)神经元的支配。支配PVT的Hcrt神经元在LH头尾走向上呈现出少-多-少的分布模式, 与Hcrt神经元分布规律相类似[19]。采用投射特异性的化学遗传学方法抑制PVT内的Hcrt神经元输入, 可显著降低觉醒量; 反之, 采用光遗传方法激活LHHcrt→PVT通路可诱发睡眠向觉醒的转换。该结果表明PVT调控觉醒受到上游Hcrt神经元的调控:Hcrt神经元的输入使得PVT在觉醒期产生高兴奋性活动, 进而促进觉醒维持。我们从觉醒维持这一基本科学问题入手, 原创性地证实PVT谷氨酸能神经元在觉醒控制中的关键作用, 进而从形态和功能两方面解析了其调控觉醒的神经环路机制(图 1)。
|
| PVT:丘脑室旁核; NAc:伏隔核; LHHcrt:外侧下丘脑食欲肽神经元 图 1 丘脑室旁核神经环路调控觉醒的模式图 |
3 问题和展望
近期, 丘脑在觉醒控制中的作用取得了重大进展。但是, 许多问题和困惑亟待解答, 例如:①PVT与其他丘脑核团如何协同作用控制觉醒活动？②不同类型的PVT神经元在觉醒调控中的是否具有独特作用？③丘脑核团如何整合神经和体液信息参与觉醒控制？上述问题的解答将有助于促进我们对大脑工作原理的认识。同时, 有助于我们增进对丘脑损伤相关疾病的理解, 并有望为嗜睡症的治疗和昏迷促醒研究提供了全新的精准靶点。
| [1] | VON ECONOMO C. Sleep as a problem of localization[J]. J Nerv Ment Dis, 1930, 71(71): 249–259. |
| [2] | SCAMMELL T E, ARRIGONI E, LIPTON J O. Neural circuitry of wakefulness and sleep[J]. Neuron, 2017, 93(4): 747–765. DOI:10.1016/j.neuron.2017.01.014 |
| [3] |
宋承辉, 胡志安. Orexin:觉醒通路中一种重要的下丘脑神经肽[J].
第三军医大学学报, 2003, 25(13): 1207–1209.
SONG C H, HU Z A. Orexin :an important neuropeptide of arousal pathway from hypothalamus[J]. J Third Mil Med Univ, 2003, 25(13): 1207–1209. DOI:10.3321/j.issn:1000-5404.2003.13.028 |
| [4] |
胡志安, 夏建霞. 觉醒系统的活动对学习记忆的影响[J].
第三军医大学学报, 2011, 33(11): 1091–1094.
HU Z A, XIA J X. Influence of activities in arousal system on learning and memory[J]. J Third Mil Med Univ, 2011, 33(11): 1091–1094. |
| [5] |
陈伯成, 赵红梅, 谌小维, 等. Orexin A对麻醉大鼠前额叶皮层神经元单位放电的影响及其机制研究[J].
第三军医大学学报, 2007, 29(2): 105–107.
CHEN B C, ZHAO H M, CHEN X W, et al. Effect of orexin A on single-unit activity in prefrontal cortex of anesthetized rats[J]. J Third Mil Med Univ, 2007, 29(2): 105–107. DOI:10.3321/j.issn:1000-5404.2007.02.005 |
| [6] |
贾晓军, 王艳芳, 赵红梅, 等. Orexin-A对急性乙醇中毒昏迷大鼠的实验性促醒疗效研究[J].
第三军医大学学报, 2006, 28(8): 750–752.
JIA X J, WANG Y F, ZHAO H M, et al. Arousal effects of orexin-A on coma induced by acute alcohol intoxication in rats[J]. J Third Mil Med Univ, 2006, 28(8): 750–752. DOI:10.3321/j.issn:1000-5404.2006.08.003 |
| [7] | DENOYER M, SALLANON M, BUDA C, et al. Neurotoxic lesion of the mesencephalic reticular formation and/or the posterior hypothalamus does not alter waking in the cat[J]. Brain Res, 1991, 539(2): 287–303. DOI:10.1016/0006-8993(91)91633-c |
| [8] | VAN DER WERF Y D, WITTER M P, GROENEWEGEN H J. The intralaminar and midline nuclei of the thalamus. Anatomical and functional evidence for participation in processes of arousal and awareness[J]. Brain Res Rev, 2002, 39(2): 107–140. DOI:10.1016/s0165-0173(02)00181-9 |
| [9] | LLINÁS R R, STERIADE M. Bursting of thalamic neurons and states of vigilance[J]. J Neurophysiol, 2006, 95(6): 3297–3308. DOI:10.1152/jn.00166.2006 |
| [10] | STERIADE M, MCCORMICK D, SEJNOWSKI T. Thalamocortical oscillations in the sleeping and aroused brain[J]. Science, 1993, 262(5134): 679–685. DOI:10.1126/science.8235588 |
| [11] | GENT T C, BASSETTI C, ADAMANTIDIS A R. Sleep-wake control and the thalamus[J]. Curr Opin Neurobiol, 2018, 52: 188–197. DOI:10.1016/j.conb.2018.08.002 |
| [12] | KANDA T, TSUJINO N, KURAMOTO E, et al. Sleep as a biological problem: an overview of frontiers in sleep research[J]. J Physiol Sci, 2016, 66(1): 1–13. DOI:10.1007/s12576-015-0414-3 |
| [13] | SCHMAHMANN J D. Vascular syndromes of the thalamus[J]. Stroke, 2003, 34(9): 2264–2278. DOI:10.1161/01.STR.0000087786.38997.9E |
| [14] | VERTES R P, LINLEY S B, HOOVER W B. Limbic circuitry of the midline thalamus[J]. Neurosci Biobehav Rev, 2015, 54: 89–107. DOI:10.1016/j.neubiorev.2015.01.014 |
| [15] | GENT T C, BANDARABADI M, HERRERA C G, et al. Thalamic dual control of sleep and wakefulness[J]. Nat Neurosci, 2018, 21(7): 974–984. DOI:10.1038/s41593-018-0164-7 |
| [16] | HONJOH S, SASAI S, SCHIERECK S S, et al. Regulation of cortical activity and arousal by the matrix cells of the ventromedial thalamic nucleus[J]. Nat Commun, 2018, 9(1): 2100. DOI:10.1038/s41467-018-04497-x |
| [17] | MÁTYÁS F, KOMLÓSI G, BABICZKY Á, et al. A highly collateralized thalamic cell type with arousal-predicting activity serves as a key hub for graded state transitions in the forebrain[J]. Nat Neurosci, 2018, 21(11): 1551–1562. DOI:10.1038/s41593-018-0251-9 |
| [18] | REN S, WANG Y, YUE F, et al. The paraventricular thalamus is a critical thalamic area for wakefulness[J]. Science, 2018, 362(6413): 429–434. DOI:10.1126/science.aat2512 |
| [19] | PEYRON C, TIGHE D K, VAN DEN POL A N, et al. Neurons containing hypocretin (orexin) project to multiple neuronal systems[J]. J Neurosci, 1998, 18(23): 9996–10015. DOI:10.1523/jneurosci.18-23-09996.1998 |