發(fā)布時(shí)間：2022-11-17
2022年11月18日，《Nature Neuroscience》期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為《Cortical Regulation of Two-stage Rapid Eye Movement Sleep》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）劉丹倩研究組完成。該研究首次揭示并定義了小鼠快速眼動(dòng)睡眠（REM睡眠）的兩個(gè)階段——安靜期和活躍期，其分別對應顯著(zhù)不同的面部表情、自主神經(jīng)活動(dòng)和腦電頻譜。應用大規模寬場(chǎng)熒光鈣成像技術(shù)，該研究發(fā)現了小鼠壓后皮層（RSC）在REM睡眠中選擇性激活，并特異性地起始了跨腦區傳播的鈣波。結合雙光子成像、機器學(xué)習算法和光遺傳學(xué)等手段，明確了RSC在REM睡眠分期的編碼和調控中的重要作用。該研究實(shí)現了對REM睡眠分期和調控機制認識的重大突破，為探究夢(mèng)境睡眠的復雜性提供了堅實(shí)的基礎。
REM睡眠, 最早是由美國科學(xué)家Eugene Aserinsky發(fā)現并定義的，他在記錄兒子睡眠時(shí)發(fā)現了一種重復出現的睡眠狀態(tài):眼部肌肉高度活躍。他后續證實(shí)了這是一種特殊的睡眠狀態(tài)，伴隨著(zhù)腦電活動(dòng)低頻高幅的活躍態(tài)、軀干肌肉的明顯僵直，并將其定義為REM睡眠。因其常伴隨著(zhù)豐富生動(dòng)的夢(mèng)境，也被稱(chēng)之為夢(mèng)境睡眠。然而在REM睡眠被發(fā)現七十多年后，為什么在大腦皮層高度活躍的狀態(tài)能屏蔽外界刺激以維持睡眠，我們?yōu)槭裁磿?huì )做夢(mèng)，夢(mèng)境中所伴隨的高度活躍的大腦皮層活動(dòng)是否具有生物學(xué)意義，它們是如何參與到高級認知活動(dòng)（比如記憶、情緒處理等），這些問(wèn)題仍沒(méi)有明確的答案。從進(jìn)化上來(lái)說(shuō)，REM睡眠存在于鳥(niǎo)類(lèi)、哺乳類(lèi)等具有類(lèi)大腦或大腦皮層的高等動(dòng)物中，因此研究REM睡眠狀態(tài)下的大腦皮層活動(dòng)以及調控機制對于研究神經(jīng)系統在進(jìn)化上的演變也有著(zhù)重要的意義。然而，現有的研究大多是聚焦單個(gè)大腦皮層區域，具有很大的局限性。本研究對小鼠的整個(gè)背側皮層的鈣活動(dòng)進(jìn)行高時(shí)空分辨率的大規模檢測，從全局的視角來(lái)研究REM睡眠調控和大腦皮層活動(dòng)之間的關(guān)系。
為探究REM睡眠的大腦皮層活動(dòng)，研究團隊在Thy1-GCaMP6s轉基因小鼠上安裝了覆蓋全背側皮層的透明玻璃窗口，以觀(guān)測全局的大腦皮層的鈣信號，并對小鼠的腦電、肌電、面部行為和血氧等進(jìn)行了同時(shí)監測（圖A）。該研究首先發(fā)現，REM睡眠期大腦皮層的活躍模式與清醒期顯著(zhù)不同，在空間獨立成分分析所獲得的十一個(gè)皮層功能模塊中，RSC腦區在REM睡眠特異性地高度活躍（圖A）。結合活動(dòng)時(shí)序因果性分析（Granger causality）和時(shí)空序列分析（spatiotemporal “motif”），發(fā)現REM睡眠中大腦皮層有豐富的跨腦區傳播的鈣波，這些鈣波都特異性地起始于RSC（圖B）。利用雙光子顯微鏡進(jìn)行單細胞分辨率的鈣成像，研究人員發(fā)現RSC的第二/三層（而非第五層）的錐體神經(jīng)元在REM睡眠中顯著(zhù)激活，說(shuō)明RSC的選擇性激活還具有細胞層特異性（圖C）。
有意思的是，在研究人員觀(guān)察小鼠REM期的面部視頻時(shí)，意外地發(fā)現除了間歇性的快速眼動(dòng)之外，還有著(zhù)持續的豐富面部運動(dòng)，包括臉部咀嚼肌和胡須等的運動(dòng)（圖D）。通過(guò)對面部表情或面部肌電進(jìn)行特征分析和無(wú)監督聚類(lèi)，研究人員發(fā)現REM睡眠包含了兩個(gè)不同的階段，即不具任何面部運動(dòng)的“安靜”期（qREM）和具有面部運動(dòng)的“活躍”期（aREM，圖D）。在這兩個(gè)REM階段中，面部運動(dòng)、腦電頻譜和自主神經(jīng)系統活動(dòng)都存在顯著(zhù)的差異，并且REM睡眠總是從qREM 過(guò)渡到aREM。有趣的是，在REM睡眠中，RSC第二/三層神經(jīng)元的群體活動(dòng)也呈現明顯的兩種不同模式的時(shí)序發(fā)放（圖C），而活動(dòng)模式的切換與qREM→aREM的轉換完美吻合（圖E）。最后，研究者通過(guò)閉環(huán)系統在REM睡眠對RSC活動(dòng)進(jìn)行特異性抑制，發(fā)現小鼠REM睡眠片段化，qREM→ aREM的轉換和aREM的維持都有顯著(zhù)降低，從而明確了RSC在REM睡眠亞階段轉換中的關(guān)鍵性作用（圖F）。
該研究首次揭示并定義了REM睡眠的分期及其轉換規律，系統描繪了小鼠在REM睡眠中特征性的跨大腦皮層的鈣波。RSC神經(jīng)元在介導皮層鈣波和調控REM睡眠分期中均發(fā)揮著(zhù)必不可少的作用。近年來(lái)，基于non-REM睡眠的不同分期進(jìn)行特異性神經(jīng)活動(dòng)觀(guān)測與調控的研究，使得人們對于non-REM的功能理解有了快速進(jìn)展。該研究中所揭示的REM睡眠分期將極大地促進(jìn)對REM睡眠功能的精準解析，并為理解夢(mèng)境睡眠的復雜性提出了全新思路。
該研究由中科院腦智卓越中心的博士研究生董宇凡在劉丹倩研究員的指導下完成，研究組的李嘉琪、周敏、杜熠輝也做出了重要貢獻。該研究得到中科院、科技部、基金委、上海市和臨港實(shí)驗室的資助。
圖注（A）雙通道寬場(chǎng)熒光成像示意圖（上）；十一個(gè)功能模塊REM睡眠與清醒狀態(tài)活動(dòng)差異（下）。（B）REM睡眠的三種主要鈣波（左）；REM睡眠中從RSC起始的鈣波活動(dòng)示意圖，其中箭頭粗細代表RSC與目標區域間鈣活動(dòng)的格蘭杰因果關(guān)系值。（C）通過(guò)雙光子成像得到RSC L2/3神經(jīng)元活動(dòng)并通過(guò)k-means聚類(lèi)分成兩種類(lèi)型，圖為一段REM睡眠中兩類(lèi)RSC神經(jīng)元鈣活動(dòng)情況。（D）通過(guò)紅外相機采集到REM睡眠中小鼠的面部視頻（左上），其中小鼠眼睛、胡須和咀嚼肌位置的臉頰在REM睡眠后期有豐富的運動(dòng)（右上）。下：利用HOG算法劃分REM睡眠亞狀態(tài)---qREM 和aREM。（E）RSC L2/3兩類(lèi)神經(jīng)元在REM睡眠亞狀態(tài)qREM到aREM 過(guò)程中的鈣信號變化（數據處理將qREM和aREM長(cháng)度標準化到1）。（F）閉環(huán)光遺傳實(shí)驗示意圖（上）。在REM睡眠中特異性抑制RSC興奮性神經(jīng)元阻斷了qREM到aREM的轉換以及aREM的維持（下）。
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