“壓力大的睡不著”-快來看看專家怎么說 | 腦科學科普專欄36期

【腦科學科普】專欄

第036期

# 腦海Yeah 第 44 期 #

文 | 潘高杰

睡眠是生物節律的一種重要形式，人的一生中有三分之一的時間都是在睡眠中度過的，動物體每天在睡眠-覺醒周期之間來回轉換，以滿足對機體和環境的需求。迄今為止研究的所有動物都顯示出睡眠的特征性跡象，包括哺乳動物，鳥類，魚類，昆蟲，蛔蟲和水母。事實上，動物沒有睡眠是無法生存的。睡眠通常被認為是一種極其脆弱的狀態，會危及物種的繁殖。當睡眠中的動物在面臨危險時，快速覺醒是充分反應的先決條件。睡眠中的動物是否可以對捕獵者線索做出反應，以及是否存在特定的神經環路在睡眠期間引發快速喚醒和行為防御，目前尚不清楚。

2022年1月23日，中科院深圳先進技術研究院的王立平團隊在Neuron發表原著論文，發現與非快速動眼睡眠（NREM）相比，捕獵者刺激會使小鼠立即從快速動眼睡眠（REM）中喚醒，這期間丘腦底核 (mSTN) 中表達促皮質激素釋放激素 (CRH) 的神經元(mSTNCRH)發揮了重要作用。?

論文題目

首先作者在小鼠睡眠期(光照階段)給予嗅覺捕獵者刺激物 TMT 氣味，發現TMT 能誘導小鼠快速從REM期而不是NREM期轉向覺醒。在體鈣信號記錄結果顯示，在清醒期和REM 睡眠期間給予嗅覺上TMT 刺激以及視覺上虛擬捕獵者大鼠刺激時，均會誘發 mSTNCRH 神經元活動的顯著變化，而在 NREM期間給予刺激，卻未觀察到此現象，提示mSTNCRH神經元在REM期和清醒期中對捕獵者線索刺激發揮了重要作用（圖1）。

圖1：mSTNCRH神經元在REM期和清醒期對捕獵者線索刺激的神經元活動

接下來，為了進一步探究動物是否依賴 mSTNCRH神經元的活動來調節REM 期和清醒期間的喚醒和防御行為，作者通過化學遺傳學抑制的方式，有效地抑制了mSTNCRH神經元的活動，結果發現REM期給予嗅覺TMT刺激后，與mCherry對照小鼠相比，在hM4Di小鼠中注射CNO，顯著延長了REM到清醒的潛伏期，但不影響NREM 到清醒的潛伏期。此外，在清醒期給予視覺捕獵者刺激時，抑制mSTNCRH神經元的活動，也有效的減少了小鼠的逃逸反應。這些結果表明，mSTNCRH神經元的活動在 REM期和清醒期對于潛在危險的喚醒和防御行為是必需的（圖2）。

圖2：REM期和清醒期mSTNCRH神經元在喚醒和防御反應中的必要性

緊接著，作者又使用了光遺傳學的方式，進一步檢測激活mSTNCRH神經元的活動在REM期和清醒期間對于潛在危險的喚醒和防御行為的充分性。結果顯示：正常情況下，在NREM期激活mSTNCRH神經元能迅速引起小鼠的覺醒，而REM期激活mSTNCRH神經元不能引起小鼠的覺醒，但顯著延長了REM時長。在REM睡眠期給予嗅覺TMT刺激后，激活mSTNCRH神經元，能顯著降低REM到覺醒的潛伏期，清醒期間給予視覺捕獵者刺激，也有效地增加了小鼠的逃逸反應。這些結果說明了mSTNCRH神經元在 REM 睡眠期和清醒期對威脅檢測和風險評估等防御反應方面的關鍵作用（圖3）。

圖3：mSTNCRH神經元的光遺傳學激活有助于覺醒并增強防御反應

如果REM睡眠可以使動物對威脅做出更好的防御反應，作者預測，持續暴露于捕獵者的小鼠會在 REM 睡眠中花費更多時間，這應該由mSTNCRH神經元活動所介導。于是作者將小鼠暴露于連續施加的壓力源環境（與大鼠氣味或肢體接觸），結果發現，持續的壓力源導致小鼠的REM 睡眠時間顯著增加，單個REM睡眠持續時間更短、睡眠結構碎片化嚴重。當化學遺傳學抑制mSTNCRH神經元的活動后，能顯著逆轉這一情況。在面臨視覺上迫在眉睫的壓力刺激時，化學遺傳學抑制mSTNCRH神經元的活動，也顯著降低了防御反應。這些發現表明REM睡眠階段可能對維持動物抵御急性威脅的能力很重要，并且 mSTNCRH神經元與這種行為適應有關（圖4）。

圖4：mSTNCRH神經元在面對捕獵者刺激時REM睡眠的響應至關重要

接下來，為了研究mSTNCRH神經元的功能異質性，作者在單細胞水平上對 mSTNCRH神經元進行了不同亞型的功能分類。他們從6只小鼠記錄到的161個mSTNCRH細胞中發現，在面臨壓力源時，47.8%的細胞在REM睡眠(REM-max)期間最活躍，6.8%的細胞在清醒期間(wake-max) 最活躍，21.1%的細胞在REM睡眠和清醒期間 (REM/wake-max)都很活躍，此外，只有3.8%的細胞在 NREM 睡眠 (NREM-max) 或兩種睡眠狀態 (NREM/REM-max) 期間都很活躍，而20.5%的細胞在任何警戒狀態下都沒有選擇性（非特異性）。這些結果表明mSTNCRH神經元可能由功能相似但亞型不同的神經元組成（圖5）。

圖5：mSTNCRH亞群響應捕獵性刺激的神經活動

為了更好地理解環路機制，作者又在功能上解析了mSTNCRH神經元的下游結構。他們觀測到前連合后肢間質核(IPAC)、外側蒼白球(LGP)和黑質網狀核 (SNR)有密集的mSTNCRH神經元末梢。化學遺傳學特異性操縱三條環路，發現僅LGP逆行靶向mSTNCRH神經元的化學遺傳學激活增強了逃逸反應，而SNR或 IPAC靶向mSTNCRH神經元的激活都沒有顯著影響。這一結果表明mSTNCRH神經元是通過LGP環路參與調控防御反應的（圖6）。

圖6：mSTNCRH神經元下游環路在逃逸反應中的作用

此外，作者也通過將光遺傳學和化學遺傳學相結合的方式，分別操縱mSTNCRH神經元胞體和mSTNCRH-LGP環路觀察行為的變化，他們發現當沒有潛在壓力源（TMT）時，在NREM期光遺傳激活mSTNCRH-LGP環路能迅速引起小鼠的覺醒，而REM期激活mSTNCRH-LGP環路不能引起小鼠的覺醒，且顯著延長了REM時長。但如果NREM期在上游進行光遺傳學激活mSTNCRH神經元的同時，在下游LGP處進行化學遺傳學的抑制，小鼠從NREM到覺醒的潛伏期顯著增加，REM期在上游進行光遺傳學激活mSTNCRH神經元的同時，在下游LGP處進行化學遺傳學的抑制，能顯著降低REM時長。在REM期當給予潛在壓力源（TMT）刺激時，無論光激活mSTNCRH神經元胞體還是mSTNCRH-LGP下游環路，均能引起快速的覺醒，當光遺傳學激活mSTNCRH神經元的同時，在下游LGP處進行化學遺傳學的抑制，REM到清醒的潛伏期又顯著增加。，這些結果表明在壓力狀態下mSTNCRH-LGP環路對于調控 REM 睡眠和清醒時的防御反應是十分必要的（圖7）。

圖7：mSTNCRH神經元通過 LGP 環路控制快速覺醒和逃避反應

綜上，在持續的壓力威脅情況下，mSTNCRH神經元會根據需要調整睡眠-覺醒狀態，它們的活動有助于動物在面臨急性壓力時從睡眠的REM階段醒來。雖然，現代人類不太可能遇到捕食者攻擊，但相同的防御系統可能已被用于應對其他威脅情況，例如社會壓力，創傷后應激障礙和重度抑郁癥等。這項研究結果為相關疾病提供了可能的解釋，并闡明了潛在的神經生物學機制。

原文鏈接

Tseng YT, Zhao B, Chen S, Ye J, Liu J, Liang L, Ding H, Schaefke B, Yang Q, Wang L, Wang F, Wang L. The?subthalamic?corticotropin-releasing?hormone?neurons?mediate adaptive REM-sleep responses to threat.

Neuron. 2022 Jan 13:S0896-6273(21)01088-6.?

DOI:?10.1016/j.neuron.2021.12.033

腦科學轉化研究院

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標簽： 逃逸反應 結果表明