J Neurosci︱果蠅橢球體環(huán)狀神經(jīng)元亞型在睡眠調(diào)控中的特異性作用
睡眠在許多生理功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用,而大腦中的睡眠調(diào)控是個(gè)十分復(fù)雜的過程,從分子、細(xì)胞、環(huán)路及網(wǎng)絡(luò)水平層次上進(jìn)行調(diào)控[1-5]。與哺乳動(dòng)物相比,果蠅作為研究睡眠的模型具有脊椎動(dòng)物睡眠的大多數(shù)高度保守特征,且中樞神經(jīng)小巧,具備強(qiáng)大的遺傳工具。果蠅大腦的橢球體(ellipsoid body,EB)作為信息處理和整合中心,調(diào)節(jié)多種復(fù)雜行為,包括空間定向、導(dǎo)航、覺醒、睡眠等[6-12]。橢球體的構(gòu)成也表現(xiàn)出復(fù)雜性,目前研究鑒定出22類神經(jīng)元亞型[13],它們的軸突以環(huán)狀形態(tài)投射到橢球體同心層中,存在高水平的解剖學(xué)連結(jié)性和功能異質(zhì)性,能夠?qū)崟r(shí)協(xié)同調(diào)控睡眠。以往的研究中發(fā)現(xiàn)橢球體R2、R3、R4d和R4m亞型可以適應(yīng)視覺刺激,這種感覺輸入可能是改變睡眠/覺醒狀態(tài)的一個(gè)重要線索,并且很可能受到晝夜節(jié)律系統(tǒng)的影響[10, 11, 14, 15];R5亞型與睡眠穩(wěn)態(tài)控制和睡眠結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有關(guān)[5, 16];5HT7-GAL4標(biāo)記的神經(jīng)元在睡眠維持中發(fā)揮重要作用,當(dāng)被激活時(shí),睡眠變得碎片化[17]。另外最近發(fā)布的一項(xiàng)研究確定了R3m神經(jīng)元促進(jìn)睡眠,R3d神經(jīng)元促進(jìn)清醒[18]。以往的研究在描述橢球體環(huán)狀神經(jīng)元不同亞型的形態(tài)和解剖學(xué)連結(jié)性方面取得了系列進(jìn)展,但睡眠調(diào)節(jié)的細(xì)胞亞型特異性在很大程度上是未知的。
上線截圖
在果蠅中,多種神經(jīng)細(xì)胞類型/環(huán)路參與睡眠總量、結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié),但對(duì)橢球體調(diào)控睡眠的理解仍然有限。因橢球體結(jié)構(gòu)及其連接方式的特殊性,鑒定構(gòu)成橢球體的特定亞型細(xì)胞的功能,可以為理解它們?nèi)绾螀f(xié)同調(diào)控睡眠提供突破口。研究團(tuán)隊(duì)利用現(xiàn)有的果蠅品系資源庫(kù),搜集了34個(gè)標(biāo)記橢球體環(huán)狀神經(jīng)元的品系,利用熱遺傳工具dTripA1[19],激活不同類型的橢球體環(huán)狀神經(jīng)元,同時(shí)記錄果蠅的睡眠行為表征,通過分析睡眠總量、覺醒次數(shù)、睡眠片段長(zhǎng)度以及清醒到睡眠(P(doze))、睡眠到清醒(P(wake))的可能性,篩選出對(duì)睡眠總量以及睡眠結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的橢球體環(huán)狀神經(jīng)元品系(圖1)。結(jié)果可見激活橢球體環(huán)狀神經(jīng)元對(duì)睡眠總量、結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生復(fù)雜的影響。同時(shí),在標(biāo)記果蠅橢球體環(huán)狀神經(jīng)元的品系中表達(dá)綠色熒光蛋白,利用免疫組化的方法,通過解剖學(xué)的分析,鑒定所標(biāo)記的橢球體環(huán)狀神經(jīng)元亞型。
首先,團(tuán)隊(duì)成員利用混合高斯模型的方法對(duì)睡眠壓力P(doze)和睡眠深度P(wake) [20] 進(jìn)行聚類分析,通過對(duì)空間分布上睡眠深度和壓力有類似影響的品系加以聚類,鑒定出調(diào)控睡眠的5個(gè)群組,且在白天和夜晚調(diào)控功能的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)(圖2)。進(jìn)一步對(duì)這些群組的橢球體環(huán)狀神經(jīng)元亞型的分析,發(fā)現(xiàn)每個(gè)群組中可匯聚出協(xié)同發(fā)揮功能的環(huán)狀神經(jīng)元亞型。在白天(圖2A),R4m具有較高的P(wake)值,強(qiáng)有力地調(diào)節(jié)睡眠深度/覺醒;R3dm呈現(xiàn)出強(qiáng)的睡眠驅(qū)動(dòng)力,增加入睡的可能性。盡管R2/R3dp神經(jīng)元在白天沒有出現(xiàn)對(duì)睡眠深度和驅(qū)動(dòng)有獨(dú)特的功能,但夜晚顯示出其促醒的功能(圖2B)。在夜晚,R3amp亞型(以R47F07-GAL4品系為代表)促醒的趨勢(shì)較白天更為顯著,而不同的R4m分別增強(qiáng)了睡眠壓力(以R70B05-GAL4品系為代表)或者降低了睡眠深度(以Feb170-GAL4品系為代表)(圖2B)。
圖4 R3d神經(jīng)元導(dǎo)致睡眠碎片化
綜上所述,該研究系統(tǒng)研究了橢球體環(huán)狀神經(jīng)元對(duì)睡眠總量、睡眠結(jié)構(gòu)和睡眠穩(wěn)態(tài)的調(diào)控特征,以及激活時(shí)對(duì)睡眠壓力和/或深度的影響;進(jìn)一步結(jié)合數(shù)學(xué)模型(混合高斯模型和一般線性模型)以及遺傳學(xué)操作手段鑒定幾類橢球體環(huán)狀神經(jīng)元亞型在睡眠調(diào)控中的特異功能(圖5),為理解特定腦區(qū)在睡眠調(diào)控中的編碼特征提供了重要基礎(chǔ)。未來,研究團(tuán)隊(duì)還需要付出更多的努力來探究單一亞型的環(huán)狀神經(jīng)元是如何對(duì)感覺輸入做出反應(yīng)的,神經(jīng)元的活動(dòng)模式是如何在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮功能的,以及不同環(huán)狀神經(jīng)元亞型的功能與其他行為是如何相互作用的。以橢球體這個(gè)局域腦區(qū)作為抓手,為探究大腦如何編碼和整合睡眠以及其他行為的基本原理將提供新的思路和契機(jī)。
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