华人女教授Nature:梦的神经开关

【字体: 时间:2015年10月19日 来源:生物通

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  最近,加州大学伯克利分校的神经学家,能够使一只沉睡的小鼠快速进入梦境。研究人员在位于大脑髓质的一组神经细胞中,插入一个光遗传学开关,从而能够用激光来激活或抑制这组神经元。研究人员在十月十五日印刷发行的《Nature》杂志报告了他们的结果。

  

生物通报道:最近,加州大学伯克利分校的神经学家,能够使一只沉睡的小鼠快速进入梦境。研究人员在位于大脑髓质(大脑的一个古老部分)的一组神经细胞中,插入一个光遗传学开关,从而能够用激光来激活或抑制这组神经元。延伸阅读:PNAS:新型神经细胞培养基克服传统障碍

当这些神经元被激活时,睡眠的小鼠在几秒钟内就进入了快速眼动睡眠(REM)。快速眼动睡眠的特征是快速眼球运动,是哺乳动物的梦境状态,伴随着大脑皮层的激活和骨骼肌的完全瘫痪。失活这些神经元,可减少甚至消除老鼠进入REM睡眠的能力。

本文通讯作者是加州大学伯克利分校和休斯霍华德医学研究所分子和细胞生物学教授丹扬(Yang Dan),丹扬教授本科毕业于北京大学,后来在哥伦比亚大学师从蒲慕明获得博士学位,她说:“人们过去常常认为,这个髓质区域只参与快速眼动睡眠过程中的骨骼肌肉瘫痪。我们发现,这些神经元可引发快速眼动睡眠的所有方面,包括肌肉瘫痪和典型的皮质激活,可使大脑看起来比非快速眼动睡眠更清醒。”

虽然脑干和下丘脑中其他类型的神经元已被证明影响快速眼动睡眠,但丹扬教授说:“因为快速眼动睡眠的强烈诱导——在94%的记录试验中,小鼠在激活神经元的几秒钟内进入快速眼动睡眠,我们认为这可能是一个相对较小网络的关键节点,该网络决定着是否进入梦睡眠。”

加州大学伯克利分校的研究小组,在十月十五日印刷发行的《Nature》杂志报告了他们的结果。著名华人科学家、美国科学院院士、斯坦福大学的骆利群教授也是本文共同作者。

研究人员说,这一发现不仅可以帮助研究人员更好地理解大脑中睡眠和做梦的复杂控制,而且还可以让科学家们开始在小鼠中探究“为什么我们会做梦”。

本文第一作者、加州大学伯克利分校的博士后研究人员Franz Weber说:“许多精神疾病,特别是情绪紊乱,与快速眼动睡眠的变化有关,一些被广泛使用的药物也影响到快速眼动睡眠,因此它似乎是精神和情绪健康的一个敏感指标。我们希望,研究睡眠电路,可能会让我们对这些疾病以及影响睡眠的神经系统疾病,有新的见解,如帕金森和阿尔茨海默氏症。”

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饮食和做梦
研究人员还发现,在小鼠清醒时激活这些脑细胞是没有影响的,但却让它们吃得更多。在正常小鼠中,这些神经元——释放神经递质γ-氨基丁酸(GABA)的一部分神经细胞,被称为GABA能神经元,在清醒状态下当小鼠正在饮食或整饰时(两项非常愉快的活动),是最活跃的。

丹教授怀疑,髓质中的这些GABA能神经元具有应激神经元的相反效果,例如脑桥(大脑的另一个古老的部分)中的去甲肾上腺素能神经元。去甲肾上腺素能神经元可释放递质去甲肾上腺素——肾上腺素的近亲。

“其他人已经发现,去甲肾上腺素能神经元,当你运动时是活跃的,当进食或整饰时是关闭的。因此,好像是,当你放松和享受时,去甲肾上腺素能神经元关闭,而髓质中的这些GABA能神经元则被打开。”

GABA能神经元从髓质(它位于脊髓的顶端)的腹侧部突起,到达脑干和下丘脑的许多区域,从而能够影响许多身体机能。这些区域——比大脑皮层更为原始,是思维和推理的中心——是情绪和许多先天行为的所在地,也是肌肉和自动功能(如呼吸)的控制中心。

光学脑状态切换
丹扬、Weber和他们的同事,选择了一种强大的技术——所谓的光遗传学,来研究髓质中这些REM相关的GABA能神经元。该技术涉及到,用一种病毒将一个光敏离子通道插入到特定类型的神经元。为了将病毒靶定到GABA能神经元,研究人员使用了一种转基因小鼠,它们只在这些特定的神经元中表达标记蛋白。一旦出现这些离子通道,当通过插入大脑的一种光纤,而被激光刺激时,它们可以打开神经元的活动。或者,将一种抑制离子泵插入GABA能神经元,可使研究人员通过激光刺激,关闭这些神经元的活动。

利用转基因小鼠,研究人员定位了髓质中这些神经元的活动,然后记录,短暂激活或失活这些神经元,对睡眠和清醒时的行为有何影响。

他们还用一种药物来灭活同一组神经元,发现REM睡眠减少,但不是立刻的并持续很长一段时间,因为药物需要大约半个小时才能生效,并逐渐消退。

他们还在髓质中一组不同的神经元(谷氨酸能神经元,释放神经递质谷氨酸)插入了光敏感离子通道。激活这些神经元,立即唤醒了动物,与激活GABA能神经元的作用相反。

丹扬正在继续研究其他的神经元,不仅影响快速眼动睡眠,还影响非快速眼动睡眠的神经元。

(生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:
Control of REM sleep by ventral medulla GABAergic neurons
Abstract: Rapid eye movement (REM) sleep is a distinct brain state characterized by activated electroencephalogram and complete skeletal muscle paralysis, and is associated with vivid dreams. Transection studies by Jouvet first demonstrated that the brainstem is both necessary and sufficient for REM sleep generation, and the neural circuits in the pons have since been studied extensively. The medulla also contains neurons that are active during REM sleep, but whether they play a causal role in REM sleep generation remains unclear. Here we show that a GABAergic (γ-aminobutyric-acid-releasing) pathway originating from the ventral medulla powerfully promotes REM sleep in mice. Optogenetic activation of ventral medulla GABAergic neurons rapidly and reliably initiated REM sleep episodes and prolonged their durations, whereas inactivating these neurons had the opposite effects. Optrode recordings from channelrhodopsin-2-tagged ventral medulla GABAergic neurons showed that they were most active during REM sleep (REMmax), and during wakefulness they were preferentially active during eating and grooming. Furthermore, dual retrograde tracing showed that the rostral projections to the pons and midbrain and caudal projections to the spinal cord originate from separate ventral medulla neuron populations. Activating the rostral GABAergic projections was sufficient for both the induction and maintenance of REM sleep, which are probably mediated in part by inhibition of REM-suppressing GABAergic neurons in the ventrolateral periaqueductal grey. These results identify a key component of the pontomedullary network controlling REM sleep. The capability to induce REM sleep on command may offer a powerful tool for investigating its functions.

 

 

 

 

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