天博中科院脑智卓越中心发表关于快速眼动睡眠分期和皮层调控的研究成果—新闻—科学网

11月18日，中国科学院脑科学与智能技能卓着立异中央（神经科学研究所）刘丹倩研究组于Nature Neuroscience上，于线揭晓了题为Cortical Regulation of Two-stage Rapid Eye Movement Sleep的研究论文。该研究初次展现并界说了小鼠倏地眼动睡眠（REM睡眠）的两个阶段 平静期以及活跃期，别离对于应显著差别的脸部心情、自立神经勾当以及脑电频谱。运用年夜范围宽场荧光钙成像技能，研究发明了小鼠压后皮层（RSC）于REM睡眠中选择性激活，并特同性地肇始了跨脑区流传的钙波。联合双光子成像、呆板进修算法以及光遗传学等手腕，研究明确了RSC于REM睡眠分期的编码以及调控中的主要作用。该事情实现了对于REM睡眠分期以及调控机制熟悉的主要进展，为探究黑甜乡睡眠的繁杂性奠基了坚实根蒂根基。

REM睡眠，最早由美国科学家Eugene Aserinsky发明并界说。他于记载儿子睡眠时发明了一种反复呈现的睡眠状况 眼部肌肉高度活跃，后续证明了这是一种非凡的睡眠状况，陪同着脑电勾当低频高幅的活跃态、躯干肌肉的较着僵硬，将其界说为REM睡眠，因常陪同着富厚活泼的黑甜乡，又被称为黑甜乡睡眠。然而，于REM睡眠被发明多年后，为何于年夜脑皮层高度活跃的状况能屏蔽外界刺激以维持睡眠？为何做梦？黑甜乡陪同的高度活跃的年夜脑皮层勾当是否具备生物学意思？它们怎样介入高级认知勾当（如影象、情绪处置惩罚等）？这些问题还没有有明确谜底。从进化上来讲，REM睡眠存于在鸟类、哺乳类等具备类年夜脑或者年夜脑皮层的高档植物中，于是摸索REM睡眠状况下的�첩年夜脑皮层勾当和调控机制对于剖析神经体系于进化上的蜕变具备主要意思。然而，现有研究多聚焦单个年夜脑皮层区域，具备局限性。本研究对于小鼠的整个违侧皮层的钙勾当举行高时空分辩率的年夜范围检测，从全局视角来解析REM睡眠调控以及年夜脑皮层勾当之间的瓜葛。

为探究REM睡眠的年夜脑皮层勾当，科研团队于Thy1-GCaMP6s转基因小鼠上安装了笼罩全违侧皮层的通明博璃窗口，以不雅测全局的年夜脑皮层的钙旌旗灯号，并对于小鼠的脑电、肌电、脸部举动以及血氧等举行同时监测（图A）。该研究起首发明，REM睡眠期年夜脑皮层的活跃模式与苏醒期显著差别，于空间自力身分阐发所得到的十一个皮层功效模块中，RSC脑区于REM睡眠特同性地高度活跃（图A）。联合勾当时序因果性阐发（Granger causality）以及时空序列阐发（spatiotemporal motif ），研究发明REM睡眠中年夜脑皮层有富厚的跨脑区流传的钙波，这些钙波均特同性地肇始在RSC（图B）。哄骗双光子显微镜举行单细胞分辩率的钙成像，研究发明RSC的第二/三层（而非第五层）的锥体神经元于REM睡眠中显著激活，申明RSC的选择性激活还具备细胞层特同性（图C）。

研究职员不雅察小鼠REM期的脸部视频时发明，除了了间歇性的倏地眼动外，另有连续的富厚脸部运动，包孕面部品味肌以及髯毛等的运动（图D）。经由过程对于脸部心情或者脸部肌电举行特性阐发以及无监视聚类，研究发明REM睡眠包罗两个差别阶段，即不具任何脸部运动的 平静 期（qREM）以及具备脸部运动的 活跃 期（aREM，图D）。于这两个REM阶段中，脸部运动、脑电频谱以及自立神经体系勾当都存于显著差异，且REM睡眠老是从qREM过渡到aREM。于REM睡眠中，RSC第二/三层神经元的群体勾当出现较着的两种差别模式的时序发放（图C），而勾当模式的切换与qREM aREM的转换吻合（图E）。研究经由过程闭环体系于REM睡眠对于RSC勾当举行特同性按捺发明，小鼠REM睡眠片断化，qREM aREM的转换以及aREM的维持均有显著降低，从而明确了RSC于REM睡眠亚阶段转换中的要害性作用（图F）。

该研究初次展现并界说了REM睡眠的分期及转换纪律，体系阐释了小鼠于REM睡眠中特性性的跨年夜脑皮层的钙波。RSC神经元于介导皮层钙波以及调控REM睡眠分期中均阐扬主要作用。最近几年来，基在non-REM睡眠的差别分期举行特同性神经勾当不雅测与调控的研究，使患上non-REM的功效研究有了倏地进展。该研究展现的REM睡眠分期将促成对于REM睡眠功效的精准剖析，并为理解黑甜乡睡眠的繁杂性提出了全新思绪。

研究获得中科院、科技部、国度天然科学基金、上海市以及临港试验室的撑持。

（A）双通道宽场荧光成像示用意（上）；十一个功效模块REM睡眠与苏醒状况勾当差异（下）。（B）REM睡眠的三种重要钙波（左）；REM睡眠中从RSC肇始的钙波勾当示用意，此中箭头粗细代表RSC与方针区域间钙勾当的格兰杰因果瓜葛值。（C）经由过程双光子成像获得RSC L2/3神经元勾当并经由过程k-means聚类分成两品种型，图为一段REM睡眠中两类RSC神经元钙勾当环境。（D）经由过程红皮毛机收罗到REM睡眠中小鼠的脸部视频（左上），此中小鼠眼睛、髯毛以及品味肌位置的面颊于REM睡眠后期有富厚的运动（右上）。下：哄骗HOG算法划分REM睡眠亚状况 qREM以及aREM。（E）RSC L2/3两类神经元于REM睡眠亚状况qREM到aREM历程中的钙旌旗灯号变迁（数据处置惩罚将qREM以及aREM长度尺度化到1）。（F）闭环光遗传试验示用意（上）。于REM睡眠中特同性按捺RSC高兴性神经元阻断了qREM到aREM的转换和aREM的维持（下）。

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