【Science 重磅】如何唤醒沉睡的你
日常生活中，睡眠与觉醒交替出现。睡眠状态不是浪费时间，它能够帮助人们恢复体能、构建认知能力、调节消化水平等等，是人们赖以生存的必备生理需求。
临床医学研究表明，丘脑中央部分动脉阻塞带来的脑损伤会导致病人严重嗜睡，甚至达到昏迷状态[1]，而丘脑其他部分损伤的患者并无此症状。
丘脑中央部分包含多个脑区：室旁核、连结核、背内侧核、以及前内侧核等。这些核团均接受不同脑区投射，也投射到不同脑区。对于特异性调控睡眠-觉醒节律的丘脑中央核团，我们尚未可知。
丘脑
对于丘脑功能的研究，2018年9月25日《Science》杂志刊登两篇文章，他们分别揭示了丘脑室旁核（Paraventricular thalamus, PVT）在不同脑功能中的神经环路机制。其中，陆军军医大学胡志安研究组发现PVT是维持觉醒状态的关键性脑区，抑制PVT神经活性会促进睡眠，而激活PVT可促进小鼠由睡眠状态转入觉醒状态，并缩短从麻醉中恢复至觉醒所需的时间[2]，极大提高了人们对该领域的认知。
恭喜任栓成博士等作者，恭喜胡志安教授课题组，恭喜共同通讯作者何超博士、谌小维教授课题组。
结果
01
小鼠维持觉醒状态需PVT谷氨酸能神经元的激活
首先，作者通过c-fos表达谱，发现觉醒（24：00时）及延长觉醒状态下，小鼠丘脑各区域中PVT活性最高。为进一步研究PVT神经活性在睡眠-觉醒周期中的动态变化，作者在小鼠PVT中埋植多通道电极，发现清醒状态下，小鼠PVT发放频率最高，而且发放频率的升高早于小鼠觉醒（图1A-F）。
过去研究表明，PVT脑区主要由兴奋性谷氨酸能神经元组成。接下来，为研究PVT中谷氨酸能神经元神经活性在觉醒状态维持过程中的必要性，作者在PVT中注射AAV-CaMKIIα-hM4D-mCherry，发现化学抑制PVT后，小鼠觉醒时间显著减少，而非快速眼动睡眠时间显著加长（图1G-I）。此外，作者使用白喉毒素杀死PVT神经元，发现小鼠在黑暗周期中觉醒时间减少，而且其脑电图2-4Hz高δ波功率显著提高（图1J-K），表明小鼠觉醒状态的维持需要PVT脑区的正常神经活性。
图1 小鼠维持清醒状态需要PVT脑区谷氨酸能神经元被激活
02
光激活PVT脑区谷氨酸能神经元诱发睡眠、麻醉状态下小鼠觉醒
在研究PVT神经元兴奋性对觉醒维持的必要性之后，作者就其充分性展开研究。他们在小鼠PVT中注射AAV-CaMKIIα-ChR2-mCherry，并埋植光纤，在小鼠非快速眼动睡眠或快速眼动睡眠状态下光激活PVT谷氨酸神经元，发现小鼠由睡眠状态转换为觉醒状态，且光激活频率越高，此转换过程越快（图2A-E）。
接着，作者就无意识状态（异氟烷麻醉状态）的觉醒展开研究。他们发现光激活PVT谷氨酸神经元诱发小鼠脑电burst发放，并可促进小鼠恢复意识（图2F-K）。
图2 光激活PVT脑区谷氨酸能神经元诱发睡眠、麻醉状态下小鼠觉醒
03
PVT谷氨酸能使神经元通过PVT-NAc投射调控觉醒状态
解析PVT谷氨酸能神经元在觉醒状态维持过程中的充要性之后，作者就其下游环路功能展开研究，从而了解PVT将觉醒信息传递到大脑何处。
他们在小鼠PVT中注射AAV-CaMKIIα-ChR2-mCherry，发现PVT谷氨酸能神经元在伏隔核（NAc）脑区中有大量投射，且NAc参与觉醒状态的调控[3]。此外，PVT谷氨酸能神经元也投射到内侧前额叶皮层（mPFC）、岛叶皮层等脑区。有趣的是，光激活PVT-NAc环路可诱发睡眠状态小鼠觉醒，而光激活PVT-mPFC与PVT-岛叶皮层则不会（图3A-F）；而化学抑制投射到NAc的PVT谷氨酸神经元会降低小鼠觉醒状态时间，加长非快速眼动睡眠时间（图3G-I）。这些结果表明PVT-NAc投射对觉醒状态的维持至关重要。
图3 PVT谷氨酸能神经元通过PVT-NAc投射调控觉醒状态
04
PVT谷氨酸神经元受LH 食欲素神经元调控
研究完PVT谷氨酸神经元通过哪些下游脑区行使功能后，作者就其上游脑区展开研究，以发现PVT受何脑区、何种神经元调控。
首先，作者通过狂犬病毒逆行示踪PVT谷氨酸神经元，发现其上游神经元包含外侧下丘脑（LH）中食欲素（Hcrt）神经元，此类神经元参与觉醒状态调控[4]。然后，作者在Hcrt-Cre小鼠的LH中注射AAV-DIO-hM4D-mCherry，并在PVT中注射CNO化学抑制LH Hcrt-PVT环路，发现小鼠觉醒时间显著减少，非快速眼动睡眠时间显著延长（图4A-C）。
接着，作者在Hcrt-Cre小鼠的LH中注射AAV-DIO-ChR2-mCherry，在PVT埋植光电极（图4D）。发现光激活LH Hcrt-PVT显著增加PVT神经元的发放频率（图4E），诱导小鼠由睡眠状态转化为觉醒状态（图4F-G），此过程可被Hcrt受体拮抗剂TCS-OX2-29阻断（图4H）。
图4 PVT接受LH Hcrt神经元投射以调控觉醒状态
总结
日常生活中，我们通常以1/3时间用来睡眠，形成了睡眠-觉醒节律。觉醒过程受丘脑中央部分调控，然而对于其具体脑区、具体神经元类型，我们知之甚少。本篇文章结合神经示踪、电生理、光遗传、化学遗传等方法，首次发现PVT在觉醒状态的调控中起至关重要作用，并找到其功能相关的上、下游脑区，形成LH Hcrt-PVT-NAc环路。激活此环路诱发觉醒，抑制此环路促进睡眠。这项研究极大提高了我们在睡眠-觉醒节律领域的认知，揭示了LH Hcrt-PVT-NAc环路的重要功能（图4I），为中风等无意识状态的临床治疗提供有力帮助！
PVT脑区除了调控觉醒状态之外，也参与联想性学习[5]。欲知后事如何，且听下回分解。
和元上海有幸提供实验中使用的大量AAV工具病毒，从神经环路到光遗传、化学遗传学技术，到钙离子成像，用实际行动助力中国脑科学的发展。
和元上海是一家国内的集基础研究服务、基因治疗药物研发和临床级重组病毒产业化制备三大发展方向于一体的高新技术企业。2016年12月正式挂牌“新三板”（证券代码839702），是上海市诚信创建企业、上海市中小企业技术创新和质量服务机构、上海市专精特新企业及上海市重点培育创业企业及上海市专利试点企业。目前注册资金8868万元，旗下子公司包括纽恩（上海）生物科技有限公司和烟台市和元艾迪斯生物医药科技有限公司。
和元上海一直关注神经、代谢、肿瘤科学领域的重大研究进展，为神经生理、病理研究提供最新工具和研究方案，助力临床转化和基因治疗！
参考文献
1.Honig, A., et al., Acute bithalamic infarct manifesting as sleep-like coma: A diagnostic challenge. Journal of Clinical Neuroscience, 2016. 34: p. 81-85.
2.Ren, S., et al., The paraventricular thalamus is a critical thalamic area for wakefulness. Science, 2018. 362(6413): p. 429-434.
3.Luo, Y.J., et al., Nucleus accumbens controls wakefulness by a subpopulation of neurons expressing dopamine D1 receptors. Nat Commun, 2018. 9(1): p. 1576.
4.Li, J., Z. Hu, and L. de Lecea, The hypocretins/orexins: integrators of multiple physiological functions. Br J Pharmacol, 2014. 171(2): p. 332-50.
5.Zhu, Y., et al., Dynamic salience processing in paraventricular thalamus gates associative learning. Science, 2018. 362(6413): p. 423-429.