《Neurobiology of Disease》：Distinct whole-brain c-Fos expression mapping following acute and chronic partial sleep deprivation in mice
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睡眠是动物界健康与生存的基本需求，支持能量恢复、记忆巩固、废物清除和免疫平衡。相反，睡眠不足与多种病理状况相关，包括抑郁、肥胖、神经退行性变和死亡率增加。现代生活方式使睡眠缺失普遍存在，表现为急性睡眠剥夺（ASD）或慢性部分睡眠剥夺（CPSD）。ASD通常引起
睡眠是动物界健康与生存的基本需求，支持能量恢复、记忆巩固、废物清除和免疫平衡。相反，睡眠不足与多种病理状况相关，包括抑郁、肥胖、神经退行性变和死亡率增加。现代生活方式使睡眠缺失普遍存在，表现为急性睡眠剥夺（ASD）或慢性部分睡眠剥夺（CPSD）。ASD通常引起短暂的嗜睡和反应减慢，并可通过恢复睡眠（ASR）大致逆转；而CPSD会导致累积的生理损伤，通常需要较长时间恢复。鉴于两者特征既有重叠又有差异，阐明ASD和CPSD对全脑神经元活动的不同影响至关重要。
c-Fos是由即早基因（IEGs）c-fos编码的核蛋白，在刺激后被诱导表达，独立于从头蛋白质合成，可作为近期神经元激活的可靠指标。传统c-Fos图谱研究已鉴定睡眠-觉醒回路中的关键核团，但这些研究大多局限于离散脑结构；睡眠剥夺后全脑范围内的神经元活动如何被调节，尤其是在CPSD条件下，仍缺乏系统表征。此外，负责情绪、记忆和代谢等关键过程的脑区位于经典睡眠-觉醒系统之外，ASD、ASR和CPSD对其神经元活动的影响尚不清楚。
为填补这一空白，研究人员将高分辨荧光显微光学切片断层成像（HD-fMOST）与定制自动化c-Fos检测方法相结合，系统绘制了ASD、ASR和CPSD后小鼠全脑c-Fos表达图谱。HD-fMOST提供高分辨率、三维（3D）成像，具有优异信噪比，便于精确配准到标准脑图谱。细胞定量方面，研究人员实现了基于3D U-Net的卷积神经网络，可无偏且高精度地检测c-Fos阳性细胞。利用这一集成技术，研究人员检测了ASD、ASR和CPSD小鼠254个脑区的c-Fos表达，揭示了急性和慢性睡眠缺失后不同的全脑神经元激活谱，为识别治疗睡眠剥夺所致功能障碍的潜在神经调控靶点奠定了基础。
睡眠是维持机体健康与生存的基石，参与能量恢复、记忆巩固、代谢废物清除及免疫稳态调节。然而，现代社会睡眠不足日益普遍，急性睡眠剥夺（ASD）与慢性部分睡眠剥夺（CPSD）是两种主要形式。ASD通常引起短暂嗜睡与反应减慢，且经恢复睡眠（ASR）后多可逆转；CPSD则可造成累积性生理损害，需要更长恢复期。c-Fos作为即早基因（IEGs）编码的核蛋白，是反映近期神经元激活的常用标志物。但既往研究多聚焦于离散脑区，未能系统揭示睡眠剥夺对全脑神经元活动的影响，尤其对CPSD条件下全脑c-Fos表达模式的了解十分有限。
为填补这一空白，研究人员应用高分辨荧光显微光学切片断层成像（HD-fMOST）技术，结合定制自动化c-Fos检测算法，对ASD、ASR和CPSD小鼠全脑254个脑区的c-Fos表达进行了系统绘制。研究纳入成年雄性C57BL/6J小鼠，随机分为对照（Ctrl）、ASD、ASR和CPSD组。ASD组接受ZT0–ZT6共6小时多模式刺激睡眠剥夺；ASR组在相同剥夺后允许2小时恢复睡眠；CPSD组连续14天每日6小时自动化转杆装置睡眠剥夺。通过脑电/肌电（EEG/EMG）记录、行为学测试及血浆皮质酮检测评估模型有效性，随后进行全脑免疫染色、HD-fMOST成像及基于3D U-Net的自动细胞检测，并经配准至Allen小鼠脑图谱实现区域定量，最终采用相关性分析、层次聚类和网络分析解析脑区间功能关联模式。
研究结果显示，ASD引起广泛脑区神经元激活。与对照相比，ASD组在254个脑区中有155个脑区c-Fos表达显著上调，涉及皮层、基底节、丘脑、下丘脑、中脑和后脑等多个功能网络。感觉、运动、记忆、情绪及相关睡眠-觉醒调控核团均被强烈激活，表明急性睡眠缺失可瞬间激发全脑广泛的神经活动。随后在ASR条件下，ASD诱导的大部分c-Fos升高信号被逆转，254个脑区中有201个恢复至与对照无显著差异的水平；其中皮层恢复最完全（96%），而丘脑和下丘脑仍有部分区域持续激活，提示恢复睡眠对多数区域具有修复作用，但部分核团可能持续参与睡眠稳态调控。
与ASD形成鲜明对比，CPSD主要诱导c-Fos表达的广泛抑制，但伴随复杂的区域差异性变化。例如，与焦虑恐惧相关的隔三角核（TRS）c-Fos显著降低，而前连合床核（BAC）反而升高；丘脑的多个核团如室旁核（PVT）、束旁核（PCN）等出现激活；下丘脑中位视前核（MEPO）和穹窿下器（SFO）则显著降低。这些结果表明慢性部分睡眠剥夺导致全脑神经元活动整体下调的同时，特定脑区出现代偿性激活或功能失衡，反映了一种有别于急性剥夺的复杂神经生物学状态。
网络分析进一步揭示，功能性相关的脑区在ASD、ASR和CPSD条件下呈现趋同的c-Fos表达轨迹。觉醒促进区、NREM/REM睡眠相关区、情绪、记忆和代谢相关区均表现出从ASD到ASR再到CPSD的进行性下降趋势。网络密度由对照组的0.15升至ASD组的0.25，ASR组降至0.09，CPSD组进一步降至0.04，表明急性剥夺导致脑网络过度连接、区域分化减弱，而慢性剥夺则引起网络稀疏化和去同步化。
讨论指出，ASD引起的广泛激活与既往局部c-Fos研究一致，而其广度和空间精度得益于HD-fMOST的高分辨率成像优势。ASR恢复后大部分信号回降，但丘脑网状核（RT）的持续激活可能与其驱动睡眠纺锤波、参与睡眠稳态维持有关。CPSD引发的c-Fos广泛抑制则可能反映异稳态负荷，即大脑在持续睡眠缺失下转录反应能力逐渐受损。SFO的显著抑制可能提示慢性睡眠剥夺引起中枢免疫监视紊乱，而BAC与TRS的分离现象提示焦虑系统从适应性焦虑向病理性恐惧的失代偿转变。研究人员也指出c-Fos时间分辨率有限、细胞类型非特异性、无法区分兴奋/抑制性神经元、刺激方式差异等局限。
总之，该研究构建了ASD和CPSD条件下全脑c-Fos表达的高分辨率图谱，证明急性睡眠缺失引起广泛神经元激活且可被恢复睡眠基本逆转，而慢性部分睡眠缺失则导致以抑制为主的复杂区域差异模式。这一全脑系统图谱不仅揭示了急慢性睡眠缺失对全局脑活动的影响差异，也为筛选治疗睡眠剥夺相关功能障碍的神经调控靶点提供了基础资源。
