PNAS新发现打破睡眠纺锤波传统理论

在最近的PNAS杂志上发表的一项研究中，韩国的科学家们，对丘脑皮层神经元簇状放电在睡眠纺锤波产生中的重要作用提出了质疑。他们得出结论：丘脑皮层神经元簇状放电，并不是纺锤波产生所必需的。这项研究成果，将对发展抗癫痫药物很有帮助。

　　

生物通报道：最近的一项神经学研究，解决了“睡眠节奏产生研究”中的一个最根本问题，凸显了一个难以忽视的事实——已经确立的科学事实已经被改变，并将在未来继续发生改变。由T型钙离子通道介导的丘脑皮层神经元低阈值簇状放电（burst firing）是睡眠纺锤波（sleep spindles）的主要组成部分，这是一直被科学家们视为教条的理论。但是，韩国基础科学研究所、韩国科学技术学院和延世大学的研究人员，证实了这个教条理论的一个显著例外情况。他们提出了体内和体外的证据表明，睡眠纺锤波，通常是在缺少T型通道和丘脑皮层神经元的簇状放电时产生的。此外，他们的结果说明了紧张性放电（tonic firing）在这个节奏产生中的重要作用。研究人员推断，未来的研究应该旨在探究每种丘脑皮层振荡（thalamocortical oscillation）产生的详细机制。

Hee-Sup Shin博士、Eunji Cheong博士和其他共同作者，在最近的PNAS杂志上发表了这项研究成果。Cheong博士说：“以前的理论认为，所有睡眠波中的丘脑皮层TC簇状放电，似乎出现在不同的睡眠阶段。然而，我们一直都在质疑，丘脑皮层T型钙离子通道和由此产生的簇状放电，在何种程度上，引发了包含多种脑电波的非快速眼动睡眠期间的异质性丘脑皮层振荡。”T型钙离子通道是一种电压门控离子通道，其表现出对钙离子的选择性通透性，在这种情况下有一个瞬变长度的激活作用。

Shin指出，为了验证这个假说，科学家们在设计和解释体内/体外实验及其结果时，面临一些问题。“既然我们在CaV3.1（CaV3.1是在具有起搏作用的神经元和细胞中发现的一种T型钙离子通道）敲除小鼠中观察到了相当完整的睡眠纺锤波，我们想设法探寻，在缺乏丘脑皮层簇状放电时，睡眠纺锤波是如何产生的。问题是，是否像以前所知的那样，纺锤波时在丘脑皮层通路内产生的，当存在或缺乏丘脑皮层簇状放电时，丘脑皮层神经元如何在纺锤波期间产生棘波（spike）。”

“体外丘脑皮层-丘脑网状核（TC-TRN）网络振荡的目的是想探寻，在CaV3.1敲除小鼠中观察到的丘脑皮层振荡，是否能够在丘脑内网络产生，并且探究它们是否是由皮层驱动的振荡。”Cheong指出：“体内和体外网络之间的另一个差别是，与体内网络相比，所有传入TC或TRN的信号，在体外TC-TRN网络中是不完整的。”结果表明，甚至在缺少大脑皮层时，也会产生纺锤波状的振荡。

研究显示，这些差异也与体内的数据有关，这表明，TRN神经元是纺锤波的起搏神经元。Shin 解释说：“对于TRN与皮质在步测睡眠纺锤波中的相对主导作用，一直都存在争议。在体外TC-TRN网络中，输入神经元的信号和皮质丘脑信号都是不完整的。因此，这些实验中输入TC神经元的主要信号，来自于TRN神经元。在这种情况下丘脑内振荡的产生表明，TRN和TC之间的相互连接可以产生振荡，这进一步证明TRN神经元是纺锤波起搏神经元。解决这个问题的关键，是构建TC神经元缺乏T型钙离子通道的CaV3.1敲除小鼠模型。”

Cheong强调，这项研究的主要结果，对丘脑皮层神经元中的低阈值簇状放电的重要作用产生了质疑。“值得注意的是，紧张性放电比纺锤波期间甚至在野生型丘脑皮层神经元内的簇状放电更丰富——不仅仅是在CaV3.1-/- TC神经元中。而在非纺锤波产生期间，紧张性放电和簇状棘波频率之间没有明显差异。此外，与非纺锤波产生期间甚至在野生型TC神经元中相比，紧张性棘波频率在皮质纺锤波产生期间明显增加。这与在野生型TC神经元中的簇状棘波频率明显不同，在纺锤波和非纺锤波产生期间的发生率几乎相同。”因此，科学家们得出结论：TC簇状放电并不是纺锤波产生所必需的。

研究人员还发现，睡眠纺锤波的峰值频率，在野生型小鼠和CaV3.1敲除小鼠中没有什么区别，这表明，TC棘波对于确定纺锤波频率并不重要。然而，Shin指出，到底是什么驱动了TC神经元在纺锤波产生期间放电，仍然需要进一步的调查研究，尽管他们认为，纺锤波产生期间的TC放电表明TC-TRN网络不像以前人们认为的那么简单。

Cheong说，下一步他们想进一步探讨TC神经元在自然NREM睡眠期间的放电模式，包括纺锤波、delta波和慢波。并阐明睡眠期间丘脑皮层网络内的神经元的详细合奏行为。此外，长期以来科学家们认为，TC簇状放电与睡眠和病理学丘脑皮层振荡（例如在失神性时出现的棘波释放）期间的两个生理丘脑皮层振荡有关。Shin总结：“我们当前的研究清楚地表明，TC放电并不是睡眠纺锤波所必需的，这将是对发展抗癫痫药物很有帮助的信息。”（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Sleep spindles are generated in the absence of T-type calcium channel-mediated low-threshold burst firing of thalamocortical neurons
Abstract: T-type Ca2+ channels in thalamocortical (TC) neurons have long been considered to play a critical role in the genesis of sleep spindles, one of several TC oscillations. A classical model for TC oscillations states that reciprocal interaction between synaptically connected GABAergic thalamic reticular nucleus (TRN) neurons and glutamatergic TC neurons generates oscillations through T-type channel-mediated low-threshold burst firings of neurons in the two nuclei. These oscillations are then transmitted from TC neurons to cortical neurons, contributing to the network of TC oscillations. Unexpectedly, however, we found that both WT and KO mice for CaV3.1, the gene for T-type Ca2+ channels in TC neurons, exhibit typical waxing-and-waning sleep spindle waves at a similar occurrence and with similar amplitudes and episode durations during non-rapid eye movement sleep. Single-unit recording in parallel with electroencephalography in vivo confirmed a complete lack of burst firing in the mutant TC neurons. Of particular interest, the tonic spike frequency in TC neurons was significantly increased during spindle periods compared with nonspindle periods in both genotypes. In contrast, no significant change in burst firing frequency between spindle and nonspindle periods was noted in the WT mice. Furthermore, spindle-like oscillations were readily generated within intrathalamic circuits composed solely of TRN and TC neurons in vitro in both the KO mutant and WT mice. Our findings call into question the essential role of low-threshold burst firings in TC neurons and suggest that tonic firing is important for the generation and propagation of spindle oscillations in the TC circuit.