Nat Neurosci丨蓝斑如何调控睡眠？

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2024年11月25日，瑞士洛桑大学基础神经科学系AnitaLüthi团队在Nature neuroscience发表“Infraslow noradrenergic locus coeruleus activity fluctuations are gatekeepers of the NREM–REM sleep cycle”，揭示了在非快速眼动睡眠和快速眼动睡眠周期中，位于脑干的蓝斑核的活性波动起着关键的调控作用。

蓝斑（Locus Coeruleus, LC）是肾上腺素能系统的一部分，负责调节清醒状态下的警觉水平，但其在睡眠中的作用尚不明确。在这项研究中，作者在小鼠中发现，LC神经元活动的波动将非快速眼动睡眠（Non-Rapid Eye Movement Sleep, NREMS）划分为两种脑-自主状态，这些状态在大约50秒的周期内调控NREMS到快速眼动睡眠（Rapid Eye Movement Sleep, REMS）的转换。高LC活动促进皮层微觉醒，低LC活动促进NREMS向REMS的过渡。LC活动的波动通过设定允许窗口来调控NREMS-REMS周期的持续时间。压力和刺激丰富的环境导致高LC活动时间延长和低LC活动时间缩短，从而引起NREMS片段化和REMS开始延迟。本研究发现，LC神经元活动的波动是调控NREMS-REMS周期的关键因素。高LC活动促进皮层微觉醒，而低LC活动促进NREMS向REMS的过渡。不良的觉醒体验（如压力和刺激丰富的环境）会影响LC活动的波动，导致NREMS片段化和REMS开始延迟，从而影响睡眠质量。这些发现为理解LC在睡眠调控中的作用提供了重要线索。

图一 蓝斑神经元活动在NREMS期间会出现激增

为了在自然睡眠期间监测LC神经元的活动，在多巴胺-β-羟化酶（Dbh）-Cre小鼠中条件性表达jGCaMP8s。然后给小鼠植入脑电图（EEG）和肌电图（EMG）电极以及置于LC上方的光纤，以便结合睡眠和光纤光度记录来监测LC神经元活动。局部场电位（LFP）电极放置在初级躯体感觉S1皮层和背侧海马CA1区。根据标准多导睡眠图，EEG信号用于划分主要的觉醒状态（清醒、NREMS和快速眼动睡眠（REMS））以及微觉醒（MAs）。S1LFP记录用于监测NREMS特征频段的局部功率动态，CA1LFP记录用于定义REMS的开始。在12小时的光照期（时间因子时间（ZT）0-ZT12）内，小鼠大部分时间处于休息状态，去甲肾上腺素能LC群体的光度记录钙活动（“LC活动”）随清醒、NREMS和REMS状态呈现特征性变化。在清醒期间LC活动升高，在NREMS期间降至较低基线，在此基础上出现波动模式。LC波动在整个NREMS期间存在，而在REMS期间不存在。在ZT0-ZT2期间，平均LC活动水平从清醒到NREMS和REMS逐渐降低。然而，NREMS期间的活动水平变化很大，与清醒期间观察到的水平重叠。因此，在NREMS期间去甲肾上腺素能LC的总体神经元活动水平可能与清醒期间一样强烈增加。NREMS 期间的LC活动激增协调了一种先前未描述的大脑身体状态，其特征是心脏和丘脑的联合激活，与已确定的皮质激活特征不同。在此状态下，与LC活动水平较低时相比，MAs更优先出现。

图二 在REMS期间，进入REMS睡眠周期的时机与LC的活动低谷密切相关

为了增加REMS的频率并监测其相对于LC活动的时间，作者开发了一种REMS限制（REMS-R）方法，在小鼠头部安装振动电机，通过短暂的振动（2秒）在闭环反馈系统中中断REMS。在从零时相（ZT0）到六时相（ZT6）的6小时内，每次检测到的REMS进入都被中断，进入REMS的频率显著增加，而在基线或对照记录中，REMS进入保持稳定。REMS-R保持了NREMS的稳态调节，但引发了REMS反弹。在另一组8只小鼠中，检查了REMS-R期间LC活动波动与REMS进入的时间关系。每次尝试进入REMS之前，LC活动都会下降。从REMS-R开始的第四个小时起，连续尝试进入REMS的时间间隔保持稳定。计算每次REMS进入前5秒的LC活动值，发现这些水平在整个6小时的REMS-R期间保持低且恒定，表明LC活动必须降至某个下限以下才能启动REMS，即使在高稳态REMS压力下也是如此。为了直接测试增加LC活动是否能在REMS-R条件下抑制REMS进入，在表达ChR2的Dbh-Cre小鼠中结合光遗传学LC刺激与REMS-R，成功地在整个REMS-R期间抑制了REMS进入，而在LED关闭条件下没有效果，证明LC活动能够覆盖REMS压力。这些实验表明，LC活动的自然缓慢交替控制着NREMS到REMS的转换周期，每个周期约为50秒。

图三 刺激丰富的觉醒体验增加LC激增

鉴于LC活动波动对NREMS-REMS周期的重要影响，这些波动强度的改变可能会扰乱睡眠。觉醒期间的急性应激可以扰动后续NREMS期间的LC活动，但觉醒时间和觉醒体验类型的具体影响仍需区分。将表达jGCaMP8s的Dbh-Cre小鼠分别进行了两种4小时的睡眠剥夺（SD）程序，从零时相（ZT0）到四时相（ZT4）进行，通过“温和处理”技术实现，这种方法防止动物入睡，同时尽量不打扰它们在笼内的自发行为。另一种刺激丰富的SD（SSD）则结合了不可预测的听觉和躯体感觉刺激，这些刺激促进LC激活。在一组单独的小鼠中，SSD后的立即采血显示皮质酮水平升高，与基线相比，表明除了感官暴露外，应激水平也升高，表明LC的激活。相比之下，通过温和处理产生的SD不会增加皮质酮水平。从小鼠的睡眠-觉醒行为记录中可以看出，LC在NREMS期间继续在激增和低谷之间波动；然而，SSD后的波动明显更强。两种SD方法都导致EEG δ波段（1.5-4 Hz）的低频功率增加，表明4小时的觉醒时间后，睡眠的稳态压力同样增加。MA（微觉醒）的密度在SD和SSD之间变化方向相反；SD减少了后续NREMS期间的MA频率，表明觉醒后NREMS的巩固，而SSD显著增加了MA密度，从而导致NREMS片段化。此外，LC活动峰值频率在SSD的第一小时内高于SD。最后，SSD后的REMS开始潜伏期增加，ZT4至ZT5期间的REMS次数减少。因此，与长时间的觉醒相比，刺激丰富的觉醒体验结合应激暂时增加了LC活动，扰乱了SD或SSD后的1-2小时内的睡眠结构，并对抗了NREMS的稳态巩固。

综上所述，这项研究揭示了哺乳动物睡眠在NREMS和REMS状态之间交替的神经机制。具体来说，研究发现LC的活动波动是控制这一睡眠周期的关键。不仅提供了关于睡眠周期神经调控的新见解，而且为理解睡眠障碍和开发新的治疗方法提供了重要的线索。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41593-024-01822-0

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