REM睡眠通过NMDA受体以区域特异性方式降低皮层锥体神经元阈下 depolarization

《Cell Reports》：REM sleep reduces subthreshold depolarization in cortical pyramidal neurons in a region-specific manner

本研究发现REM睡眠通过NMDA受体依赖的机制，以脑区特异性方式调控皮层锥体神经元的阈下膜电位动态：前额叶皮层（PFC）神经元在REM期 depolarization 减弱，而压后皮层（RSC）神经元活动增强。该研究通过体内全细胞膜片钳和双光子成像技术，揭示了睡眠阶段依赖的兴奋/抑制平衡调控机制，并发现地西泮诱导的睡眠会破坏PV中间神经元正常活动，提示催眠药物可能损害睡眠依赖性脑功能。研究为理解睡眠的细胞机制及药物干预的神经基础提供了新视角。

　　

睡眠作为大脑重要的生理状态，其不同阶段（非快速眼动睡眠NREM和快速眼动睡眠REM）伴随着显著的脑电活动和神经元活动变化。然而，睡眠如何在不同脑区精细调控皮层神经元的兴奋性，其背后的细胞和突触机制尚不清楚。尤其REM睡眠期间，尽管整体脑电活动类似于清醒状态，但不同皮层区域（如与高级认知功能相关的前额叶皮层PFC和与空间记忆相关的压后皮层RSC）的神经元活动模式是否存在差异，以及兴奋性谷氨酸能 neurotransmission（尤其是NMDA受体NMDAR的作用）和抑制性GABA能传导如何参与这一过程，是睡眠神经生物学领域的核心问题。此外，临床上广泛使用的镇静催眠药物（如苯二氮卓类地西泮Diazepam）如何影响睡眠期间的皮层微环路活动，其作用是否等同于自然睡眠，也缺乏在细胞水平的深入理解。为了解决这些问题，由Antoine Adamantidis团队在《Cell Reports》上发表的研究，利用先进的在体电生理和成像技术，对睡眠-觉醒周期中皮层锥体神经元（PYR）的膜电位 dynamics 进行了系统性探究。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：1）在体全细胞膜片钳记录（in vivo whole-cell patch-clamp recordings）于头部固定小鼠的自发睡眠周期中，同步记录皮层L2/3锥体神经元的膜电位（V_m）以及脑电图（EEG）、肌电图（EMG）、胡须运动和瞳孔直径；2）药理学干预，包括皮层表面灌流NMDAR拮抗剂D-AP5，以及腹腔注射GABA_A受体正向变构调节剂地西泮；3）在体双光子钙成像（in vivo two-photon calcium imaging）结合EEG/EMG记录，特异性监测前额叶皮层表达 parvalbumin（PV）的中间神经元在睡眠-觉醒状态下的群体活动。实验对象为成年雄性C57BL/6J和PV-Cre小鼠。

区域特异性衰减的PYR细胞在REM睡眠期去极化

研究人员首先记录了小鼠内侧前额叶皮层（PFC）L2/3层锥体神经元在不同睡眠-觉醒状态下的膜电位活动。他们发现，在安静清醒期（qWake）和NREM睡眠期，神经元表现出明显的膜电位波动，而在REM睡眠期，PFC锥体神经元的阈下去极化幅度和累积去极化程度均显著降低，膜电位变异性（标准差）也减小，提示REM睡眠期PFC神经元的兴奋性 synaptic drive 减弱。

与之形成鲜明对比的是，在压后皮层（RSC）的L2/3锥体神经元中，REM睡眠期的累积去极化程度不仅没有降低，反而高于PFC区域，表明REM睡眠对皮层兴奋性的调控具有显著的脑区异质性。此外，PFC锥体神经元在NREM睡眠期的自发放电频率最高，而RSC神经元在NREM期有更高比例的神经元放电。

NMDA受体依赖的PYR神经元去极化 across 睡眠-觉醒周期

为了探究NMDAR在睡眠期兴奋性驱动中的作用，研究人员在记录过程中局部应用NMDAR拮抗剂D-AP5。结果显示，D-AP5显著降低了PFC锥体神经元在qWake和REM睡眠期的去极化幅度和累积去极化，而对NREM睡眠期的影响较小且变异度大。这表明NMDAR介导的电流在维持清醒和REM睡眠期的兴奋性活动中起主要作用，而NREM睡眠期的去极化可能更多依赖于非NMDAR机制（如AMPAR）。

地西泮诱导的睡眠降低dPFC L2/3 PYR神经元的皮层去极化

系统性注射地西泮后，尽管动物进入了类似NREM的睡眠状态，但PFC锥体神经元在NREM期的去极化幅度和累积去极化均显著降低，同时膜电位变异性也减小。这表明地西泮虽然促进了睡眠，但其诱导的皮层神经元活动模式与自然NREM睡眠不同，可能是一种非生理性的睡眠状态。

地西泮降低dPFC PV中间神经元在NREM睡眠期的活动

通过双光子钙成像监测PFC的PV中间神经元活动，研究人员发现地西泮显著抑制了PV神经元在清醒和NREM睡眠期的钙瞬变幅度，并破坏了其从清醒到NREM睡眠期正常的活动增强模式。这提示地西泮通过抑制PV中间神经元，可能破坏了皮层局部环路的抑制性调控，从而导致PYR神经元去极化活动的异常。

本研究结论表明，睡眠-觉醒周期中皮层锥体神经元的膜电位动态受到脑区特异性和状态依赖性的精细调控。REM睡眠期，PFC和RSC表现出相反的兴奋性变化模式，NMDAR在其中扮演关键角色。地西泮虽然诱导睡眠，但通过抑制PV中间神经元和改变PYR神经元活动，破坏了自然的兴奋/抑制平衡（E/I balance）。这些发现不仅深化了对睡眠细胞机制的理解，揭示了NMDAR在REM睡眠期可能为Hebbian突触可塑性提供时间窗口，同时也对临床催眠药物的使用提出了警示，提示其可能通过改变皮层微环路功能而影响睡眠依赖性认知过程。研究的局限性包括在体全细胞记录的技术挑战导致样本量有限，以及系统性药理学的非特异性效应，未来需要更精准的环路操控技术进一步验证因果机制。