腹侧下束在雄性小鼠中通过多条通路促进觉醒

2024-07-01 Mon
腹侧下束在雄性小鼠中通过多条通路促进觉醒背景介绍腹侧下束（ventral subiculum，vsub）是海马结构的主要输出区，在动机、压力整合和焦虑样行为中起着关键作用，这些行为都依赖于高度的觉醒状态。然而，vsub在觉醒中的作用及其底层神经回路知之甚少。通过使用体内光纤测钙技术和多通道电生理记录，我们发现vsub的谷氨酸能神经元在觉醒期间表现出高活性。此外，vsub谷氨酸能神经元的激活会导致觉醒和焦虑样行为增加，并诱发从睡眠到觉醒的快速转变。vsub谷氨酸能终端的光遗传学刺激和vsub谷氨酸能神经元的逆行化学遗传学激活揭示了vsub通过内侧下丘脑（lateral hypothalamus, LH）、伏隔核壳（nucleus accumbens shell, NAc）和前额叶皮层（prefrontal cortex, PFC）进行觉醒调节。尽管如此，多巴胺D1或D2/D3受体拮抗剂的局部微注射阻断了vsub通路化学遗传学激活引起的觉醒效应。最终，vsub谷氨酸能神经元的化学遗传学抑制减少了觉醒。
来源介绍这篇论文由Xue-Fen Zhang、Yi-Dan Li、Yue Li、Ying Li、Dan Xu、Lin-Lin Bi和Hai-Bo Xu等人在《Neuropsychopharmacology》杂志上发表。论文由Wuhan University Zhongnan Hospital Radiology Department、Nuclear Medicine Department、Pathology Department、Taikang Medical School等多个单位的研究人员合作完成，发表于2024年。
实验流程实验对象与动物处理：
该研究使用了180只8-20周龄的雄性C57BL/6小鼠，体重在20-30g之间。这些小鼠由北京Vital River实验动物技术有限公司购买，并在适当的温度、湿度和光周期条件下饲养。所有动物实验的方案均获得了武汉大学中南医院实验动物福利和伦理委员会的批准（ZN2021159）。
病毒注射与光纤植入：
小鼠在腓噬剂钠盐麻醉下进行手术，通过立体定位仪在vsub处进行病毒注射。注射的病毒包括AAV2/9-CaMKIIα-HM3Dq-mCherry, AAV2/9-CaMKIIα-HM4Di-mCherry, AAV2/9-CaMKIIα-ChR2-mCherry等。病毒注射后植入光纤，记录vsub谷氨酸能神经元的钙活动，以及EEG/EMG信号。
光纤测钙和电生理记录：
利用光纤测钙系统和多通道电生理记录系统，记录小鼠在自发睡眠-觉醒周期中的神经活动。通过光遗传学和化学遗传学方法激活或抑制vsub谷氨酸能神经元，研究其在觉醒和焦虑样行为中的角色。
行为学实验：
采用开放场（Open Field）实验和高架十字迷宫（Elevated Plus Maze）实验评估小鼠的焦虑样行为，同时使用实时位置偏好（Real-time Place Preference）实验评估避免行为。
多巴胺受体阻断实验：
为了探究DA信号在睡眠-觉醒调节中的作用，通过微注射多巴胺D1受体拮抗剂SCH-23390或D2/D3受体拮抗剂Raclopride到不同脑区（nac、lh和pfc），评估化学遗传学激活vsub通路后的觉醒效应。
实验结果vsub谷氨酸能神经元在觉醒期间表现出高活性：
实时钙活动记录显示，vsub谷氨酸能神经元在觉醒和快速眼动（REM）睡眠期间的荧光信号显著高于非快速眼动（Non-REM, NREM）睡眠期间的信号。多通道电生理记录同样表明，vsub神经元在觉醒和REM睡眠期间的放电频率高于NREM睡眠期间。
vsub谷氨酸能神经元的激活增加觉醒和焦虑样行为：
化学遗传学（HM3Dq和CNO）和光遗传学（ChR2和蓝光）激活vsub谷氨酸能神经元显著增加小鼠的觉醒时间，并减少NREM和REM睡眠时间。行为学实验结果显示，vsub谷氨酸能神经元的激活导致小鼠在焦虑样和避免行为实验中的变化。
vsub通过nac、lh和pfc通路调节觉醒：
光遗传学激活vsub投射到nac、lh和pfc的谷氨酸能终端，分别导致从NREM睡眠到觉醒的快速转变。通过化学遗传学特异性激活这些投射路径，进一步证实了vsub-glu-nac、vsub-glu-lh和vsub-glu-pfc通路在觉醒调节中的作用。
多巴胺信号在vsub通路引起的觉醒效应中起关键作用：
多巴胺受体拮抗剂的微注射阻断了化学遗传学激活vsub通路引起的觉醒，提高了多巴胺信号在vsub觉醒调节中的重要性。
vsub谷氨酸能神经元对于维持觉醒是必需的：
化学遗传学（HM4Di和CNO）抑制vsub谷氨酸能神经元，显著减少小鼠的觉醒时间，并增加NREM和REM睡眠时间。
研究结论和意义这项研究揭示了vsub谷氨酸能神经元在觉醒调节中的重要作用，并确定了通过nac、lh和pfc的不同通路调节觉醒的神经回路机制。研究结果表明，多巴胺信号在vsub觉醒调节中的关键作用，同时也揭示了vsub谷氨酸能神经元维持觉醒的必需性。该研究提供了关于睡眠-觉醒调节的新见解，并为治疗相关睡眠障碍提供了潜在的靶点。
亮点和价值揭示了新的觉醒调节区域和神经回路：
第一次证实了vsub谷氨酸能神经元在觉醒中的主导作用及其通过nac、lh和pfc的不同投射路径进行觉醒调节的机制。
多巴胺信号在觉醒调节中的关键作用：
研究表明，多巴胺受体拮抗剂能够阻断vsub通路激活引起的觉醒效应，证明了多巴胺信号在觉醒调节中的重要性。
提供了治疗睡眠障碍的新靶点：
研究中的发现为开发基于vsub及其神经回路的干预方法提供了理论基础，有潜力成为治疗失眠和其他睡眠障碍的新策略。
这项研究由多个机构的研究团队共同完成，研究内容全面且详实，揭示了腹侧下束在觉醒和焦虑样行为中的关键作用及其底层机制，为未来相关领域的深入研究提供了重要参考。研究结果已存储在FigShare数据库中，研究数据公开透明，进一步增强了研究的可信度和可重复性。