Cell：丹扬院士团队揭示为何睡眠期间意识觉知会大大减弱

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

在日常生活中，我们不断受到来自多模态的感官刺激的信息轰炸，但其中大部分都无法达到我们的意识觉知（conscious awareness）。尽管潜意识的刺激也能激活感觉皮层，但意识觉知依赖于神经元活动向大脑网络的传播，包括顶叶和额叶区域，这些区域通过反复兴奋进一步放大活动，这一过程被称为“全局点火”（global ignition）。在意识觉知背景下的全局点火研究主要集中在人类身上，最近也在非人类灵长类动物身上进行了研究。然而，解剖其潜在的回路机制，特别是在基因定义的细胞类型层面上，仍然存在困难。

意识觉知水平在每天的睡眠-觉醒转换中发生深刻变化，但其潜在机制尚不清楚。在视觉系统中，睡眠期间的眼睑闭合和瞳孔收缩可以影响视网膜对视觉刺激的反应，而丘脑的改变可能进一步减弱视觉皮层的反应。此外，通过对经颅磁刺激的反应来测量皮质区域之间的有效连接在睡眠期间减少。有趣的是，在听觉刺激下，睡眠对早期听觉皮层的反应幅度影响不大，但强烈减弱了下游关联区域和反馈处理的反应。这表明睡眠优先抑制更高皮质区域的感觉激活，也就是说，睡眠期间，意识觉知会大大减弱，但其潜在的神经回路机制尚不清楚。

2023年12月8日，美国科学院院士、加州大学伯克利分校的丹扬教授在Cell期刊发表了题为：Circuit mechanism for suppression of frontal cortical ignition during NREM sleep 的研究论文。

这项研究发现，额叶皮质点火（一种被证明与人类和非人类灵长类动物的意识觉知相关的大脑过程）在小鼠的非快眼动睡眠（NREM）期间受到强烈抑制，原因是胆碱能调节减少和皮层反应的快速抑制。

总的来说，该研究发现，在NREM睡眠期间，皮层点火被强烈抑制，这是一种每天重复出现的意识觉知减弱的大脑状态。通过在小鼠中结合全脑功能超声成像与细胞类型特异性钙成像和光遗传学，研究证明了胆碱能神经调节的重要作用，它可以作用于多种皮层神经元亚型来控制皮层点火的门控。

丹扬，美国国家科学院院士，本科毕业于北京大学物理系，之后在哥伦比亚大学攻读生物学博士学位，在洛克菲勒大学及哈佛医学院进行博士后研究，现为加州大学伯克利分校神经生物学教授。她的主要研究方向为阐释大脑中控制睡眠的神经回路，以及大脑前额皮层的功能和调控机制。

在这项研究中，丹扬团队测量了小鼠的睡眠/清醒依赖性皮层“点火”，这种动物模型可以在基因定义的细胞类型水平上解剖神经回路。研究团队重点关注从视觉皮层（V1）到其他大脑区域的活动传播，特别是额叶皮层，因为这种传播与视觉刺激的意识检测有关。

由于睡眠与影响视觉皮层对视觉刺激的反应的多种变化有关，包括瞳孔收缩和丘脑门控，研究团队绕过了早期视觉通路，使用直接光遗传学刺激激活视觉皮层锥体神经元。为了测量活动传播，研究团队使用了两种具有互补特性的成像技术：功能性超声成像（fUSi）的血流动力学反应，用于全脑范围内活动传播的映射，以及钙成像，用于测量特定皮质细胞类型的活动。

研究团队发现，在非快眼动睡眠（NREM）期间，从视觉皮层到其他皮质区域的活动传播——特别是额叶皮层的前扣带回（ACA）——显著减少。NREM睡眠期间的视觉皮层激活，而不是清醒状态下的激活，引起了ACA锥体神经元的强烈抑制。基底前脑胆碱能神经元的化学遗传学激活和失活，在清醒状态下活跃，但在NREM睡眠期间不活跃，分别强烈增加了和降低了视觉皮层到额叶皮层的前扣带回（V1-to-ACA）的活动传播。

细胞类型特异性钙成像显示，舒血管肠肽（VIP）、生长抑素（SST）和神经元源性神经营养因子（NDNF）表达的GABA能中间神经元，所有这些都优先靶向锥体神经元树突，在清醒状态下更活跃。相比之下，体细胞靶向的小清蛋白（PV）表达的神经元，在NREM睡眠期间更活跃。ACA PV神经元的双向化学遗传操作表明，它们对NREM睡眠期间视觉皮层诱发的锥体神经元抑制有显著贡献。

因此，睡眠/清醒依赖的皮层点火被胆碱能活动强烈调节，同时皮层锥体神经元的树突和胞体周围抑制之间的平衡发生变化。

总的来说，该研究发现，在NREM睡眠期间，皮层点火被强烈抑制，这是一种每天重复出现的意识觉知减弱的大脑状态。通过在小鼠中结合全脑功能超声成像与细胞类型特异性钙成像和光遗传学，研究证明了胆碱能神经调节的重要作用，它可以作用于多种皮层神经元亚型来控制皮层点火的门控。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.11.012