全脑尺度下雄性小鼠组胺能神经元长程输入图谱的构建及其在睡眠-觉醒调控中的功能解析

本研究通过结合狂犬病毒逆向追踪系统与荧光显微光学切片断层成像技术(fMOST)，首次构建了雄性小鼠组胺能神经元(histaminergic neurons)的三维单突触长程输入图谱。研究人员系统揭示了来自下丘脑(hypothalamus)、丘脑(thalamus)、苍白球(pallidum)和海马(hippocampus)等脑区的输入特征，发现外侧隔核(LS)和丘脑室旁核(PVT)分别通过抑制性(GABAergic)和兴奋性(glutamatergic)输入差异调控快速眼动睡眠(REM)。该研究为理解组胺能神经环路在睡眠障碍和神经精神疾病中的作用提供了结构基础。

　　

在神经科学领域，组胺能神经系统如同一个神秘的"全能管家"，调控着从睡眠觉醒、认知功能到情绪调节的多种生理过程。这些聚集在下丘脑结节乳头体核(TMN)的神经元，虽然只占全脑细胞的极少数，却通过其广泛的分支影响着几乎整个大脑。然而长期以来，科学家们对这个系统的认识存在显著空白——我们清楚地知道它们向哪里发送信号，却对哪些脑区在控制这些"管家"知之甚少。这种认知的不对称严重限制了我们理解组胺能系统在失眠、嗜睡症、阿尔茨海默病等神经系统疾病中的作用机制。

发表在《Nature Communications》的这项研究，由中国研究团队采用多学科交叉方法，通过狂犬病毒(RV)逆向追踪系统结合荧光显微光学切片断层成像(fMOST)技术，首次在单细胞分辨率上绘制了雄性小鼠组胺能神经元的全脑输入图谱。研究不仅揭示了输入神经元的空间分布规律和神经递质特征，还发现外侧隔核(LS)和丘脑室旁核(PVT)通过不同的神经递质系统对快速眼动睡眠(REM)产生相反调控作用，为理解睡眠障碍的神经机制提供了新视角。

关键技术方法包括：1) 在HDC-CreERT2转基因小鼠TMN区注射重组腺相关病毒(rAAV)和狂犬病毒(RV)实现特异性逆向标记；2) 采用fMOST系统进行1μm分辨率全脑成像和三维重建；3) 通过RNAscope原位杂交鉴定输入神经元的GABA能(GAD1⁺)和谷氨酸能(vGluT2⁺/CaMKIIα⁺)亚型；4) 结合光遗传学和化学遗传学手段验证LS/PVT-TMN环路功能；5) 使用光纤光度术(GCaMP6s)记录睡眠周期中输入神经元的活动动态。

全脑尺度组胺能神经元长程输入分布特征

研究团队发现输入神经元主要集中在前脑区域，呈现三个显著特征：内侧优于外侧、腹侧优于背侧、沿前-后轴(距前囟0--2.5mm)集中分布。定量分析显示下丘脑前核(AHN)贡献了最大比例的输入(8.20±1.37%)，其次是终纹床核(BST,4.74±0.53%)、内侧杏仁核(MEA,3.83±0.27%)等区域。值得注意的是，虽然中脑和丘脑总体输入密度中等，但导水管周围灰质(PAG,2.59±0.41%)和丘脑室旁核(PVT,2.00±0.35%)显示出相对集中的投射。

皮层输入神经元的特异性层状分布与共投射特征

皮层输入神经元呈现明显的第V层优势分布(61.77±5.54%)，仅前边缘皮层(ILA)例外地表现为第VIa层优势。通过150个单神经元重建发现，这些神经元普遍存在向纹状体、中脑、苍白球和丘脑的共投射模式，且全部局限于同侧半球投射。特别有趣的是，ILA神经元偏好投射至前部脑区(如嗅球)，而前边缘皮层(PL)神经元则倾向投射至后部区域(如丘脑)。

抑制性与兴奋性输入的差异化组织

RNAscope分析揭示了不同脑区输入神经元的递质特性：外侧隔核(LS,98.82±0.80% GAD1⁺)和内侧杏仁核(MEA,97.73±2.27% GAD1⁺)几乎完全为GABA能神经元，而PVT(98.77±0.95% vGluT2⁺)和CA1(97.09±0.66% CaMKIIα⁺)则主要为谷氨酸能神经元。PAG(70.14±4.68% GAD1⁺)和下丘脑前区(AHY,61.29±4.82% GAD1⁺)呈现混合输入特征，空间分析显示其GABA能神经元在AHY广泛分布而在PAG偏好腹外侧区域。

LS/PVT-TMN环路在睡眠-觉醒调控中的平衡作用

通过单突触顺向追踪(WGA)和膜片钳记录，研究证实LS-GABA能和PVT-谷氨酸能神经元分别通过GABA_A受体和NMDA/AMPA受体与组胺能神经元形成直接单突触连接。钙成像显示这两类神经元在觉醒-NREM转换时活动同步降低，但在NREM-REM转换时呈现分化：PVT神经元活动显著下降而LS神经元保持不变。化学遗传学激活实验进一步揭示，LS-TMN环路增加REM睡眠时长(14.73±1.657% vs 对照5.150±0.242%)和NREM-REM转换频率(371.0±20.08次/24h)，而PVT-TMN环路则产生完全相反的抑制作用(REM 2.420±0.541%)。

这项研究构建了迄今最完整的组胺能神经元输入图谱，其重要意义体现在三个层面：在技术层面，建立了RV/fMOST结合RNAscope的多模态神经环路研究方法；在理论层面，揭示了组胺能系统输入的组织原则和分层调控机制；在转化医学层面，为理解REM睡眠失调的神经基础提供了新靶点。特别值得注意的是，研究发现虽然LS和PVT对总体睡眠-觉醒时间有相似调控效果，但在REM睡眠调控上存在"阴阳平衡"关系，这种精细的功能分化可能解释了临床上REM睡眠行为障碍的复杂表现。该研究也为开发针对特定睡眠时相的精准干预策略提供了理论依据。