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睡眠与觉醒伴随着不同的皮层节律性活动模式1。在慢波睡眠等低唤醒状态下，同步的低频节律主导着广泛皮层区域的活动。尽管抑制性神经元（INs）日益被认为是皮层状态的关键调节因子2-4，但在体内协调局部和远距离新皮层网络同步活动的环路机制仍然知之甚少。本项研究在小鼠中
睡眠与觉醒伴随着不同的皮层节律性活动模式1。在慢波睡眠等低唤醒状态下，同步的低频节律主导着广泛皮层区域的活动。尽管抑制性神经元（INs）日益被认为是皮层状态的关键调节因子2-4，但在体内协调局部和远距离新皮层网络同步活动的环路机制仍然知之甚少。本项研究在小鼠中表明，共表达生长抑素（Sst）和软骨凝集素（Chodl）的细胞——它们构成一类稀疏且遗传学上独特的新皮层GABA能抑制性神经元——在低唤醒状态下选择性活跃，而在高唤醒期大多处于静默状态。与大多数新皮层抑制性神经元不同，Sst-Chodl细胞尽管极其稀疏，却通过同时靶向多个脑区的长程轴突，在整个新皮层发挥广泛影响。选择性激活Sst-Chodl细胞足以促进低唤醒状态特征性的多脑区皮层同步化，并诱导睡眠。综上所述，这些发现表明，长程Sst-Chodl抑制性神经元不仅追踪行为状态，还能主动促进同步化的皮层活动和睡眠行为，凸显了皮层环路在睡眠调控中与已确立的皮层下机制并列的关键作用。
论文解读文章
研究背景与研究目的
睡眠对哺乳动物生理至关重要，其紊乱会导致广泛的生理和认知损伤，并与失眠、抑郁症、精神分裂症等多种疾病相关。觉醒与低唤醒状态（如安静清醒和睡眠）之间的转换发生在秒级时间尺度，并伴随新皮层活动模式的显著变化。低唤醒状态，包括慢波睡眠（SWS）和安静不动期，其特征是同步的低频皮层波动和协调的锋电位活动，即所谓的同步化皮层状态；而高唤醒和主动行为相关的去同步化状态则抑制低频活动。GABA能抑制性神经元（INs）已被认为是觉醒依赖性新皮层活动的关键调节者。虽然快速放电的小清蛋白（Pvalb）阳性INs已被证明可通过增强伽马波段活动来促进去同步化状态，但对于调控低唤醒期同步化皮层状态的IN群体，其身份和功能仍知之甚少。
皮层IN的多样性虽早已被认识，但将特定功能赋予单个IN类别极具挑战性，部分原因在于既有的IN类别本身高度异质。例如，常被视为单一群体的生长抑素（Sst）阳性IN可细分为十余种亚类。本研究聚焦于一个转录组同质且进化保守的Sst阳性IN亚型，其特征是共表达Sst、软骨凝集素（Chodl）、神经元型一氧化氮合酶（Nos1）和神经激肽-1受体（Tacr1），即Sst-Chodl细胞。这类细胞是GABA能IN，与典型的、局域投射的新皮层中间神经元截然不同，拥有可延伸数毫米的长程投射轴突。尽管它们极为稀疏（占皮层GABA能神经元不到1%），但在从蝾螈到人类的脊椎动物中高度保守。先前离体研究表明，假定的Sst-Chodl细胞可能在SWS期间活跃，提示它们可能参与同步化状态的形成。然而，由于缺乏特异性靶向工具，其在体内的活动和功能角色一直难以探究。
因此，本研究旨在利用交叉遗传学策略选择性靶向Sst-Chodl细胞，揭示其在体内不同觉醒状态下的活动模式，并验证其是否能因果性地促进皮层同步化和睡眠行为。
主要关键技术方法
研究人员采用了多种关键技术方法：首先，利用Sstflp;Chodlcre或Sstflp;Nos1creER双转基因小鼠进行交叉遗传学特异性标记Sst-Chodl细胞；其次，结合单细胞形态重建、全脑组织透明化与光片成像以及顺行示踪（AAV-CreOn/FlpOn载体）全面解析其投射模式；第三，运用逆行狂犬病病毒示踪鉴定其上游输入来源；第四，采用双光子钙成像技术记录清醒小鼠V1区Sst-Chodl细胞的活性，并结合瞳孔测量、运动监测、皮层局部场电位（LFP）和肌电图（EMG）等多模态行为学指标；第五，实施光遗传学（ChR2）结合线性硅电极阵列记录，以因果性检验其对皮层同步化的影响；第六，应用全细胞膜片钳电生理记录急性脑片中的突触后反应；最后，通过化学遗传学（DREADD）在全新皮层范围激活Sst-Chodl细胞，并在自由活动小鼠中进行睡眠-觉醒行为监测。
研究结果
Sst-Chodl细胞是长程投射的INs
通过对V1及高级视皮层中16个Sst-Chodl细胞进行单细胞解剖重建，并与Pvalb和其他非Chodl的Sst细胞比较，研究发现：Pvalb和其他Sst细胞的树突和轴突主要在局部区域分支，很少跨越脑区边界；而Sst-Chodl细胞不仅在视觉皮层内形成致密的局部分支，还发出长程轴突，穿越毫米级距离，广泛投射至同侧新皮层的大部分区域（前部和腹侧少数区域除外）。群体水平的全脑投射密度分析进一步证实，来自V1的Sst-Chodl细胞在同侧新皮层（包括压后皮层、听觉、体感和额叶运动区）形成广泛投射，且优先走行于浅层。来自初级体感皮层（S1）的Sst-Chodl细胞也展现出相似的投射模式，但更密集地支配注射位点周围的区域。这表明源自不同新皮层区域的Sst-Chodl细胞共享一个共同特征：它们是广泛靶向同侧新皮层的长程投射神经元。
Sst-Chodl细胞接收来自多种细胞类型的输入
通过基于交叉遗传学的单突触逆行狂犬病示踪，研究发现Sst-Chodl细胞的突触前神经元几乎完全位于新皮层区域内（丘脑来源少于4%），且局限于同侧半球，主要分布在中间层（2-5层），在V1最为密集。免疫组化分析显示，这些突触前神经元包含谷氨酸能（CTIP2+和SATB2+）和GABA能（PV+、VIP+和SST+）群体。这表明Sst-Chodl细胞整合了来自所有主要谷氨酸能和GABA能类别的广泛多样的区域兴奋性和抑制性输入。
Sst-Chodl细胞在低唤醒期活跃
利用双光子钙成像记录Sst-Chodl细胞在头固定小鼠中的活动，并结合多种状态监测指标（瞳孔、运动、LFP、EMG等），研究发现：绝大多数浅层Sst-Chodl细胞在低唤醒、高同步化状态（如SWS和安静清醒QW）下表现出强烈的活动，而在REM睡眠和运动期间被强烈抑制。深层Sst-Chodl细胞也表现出相似的模式。Sst-Chodl细胞的活动与低唤醒指标（如delta波段功率）呈正相关，与高唤醒指标呈负相关。通过结合电生理探针记录，发现Sst-Chodl细胞的活动紧密跟随LFP delta功率的波动，而非预测未来的状态转变。在SWS的UP/DOWN状态分析中，Sst-Chodl细胞在DOWN状态开始前活动增加，提示它们优先在皮层UP状态终止时被募集。与公开数据集对比显示，与其他Sst细胞群不同，Sst-Chodl细胞的活动与唤醒水平呈负相关。
Sst-Chodl细胞驱动新皮层同步化
通过在V1表达ChR2并进行光遗传刺激，同时用64通道线性硅探针记录，研究发现：激活Sst-Chodl细胞导致整个皮层柱的delta波段功率迅速且稳健地增加，增强了所有层的锋电位同步性，加强了锋电位与delta节律的锁相，并使DOWN状态更频繁、持续时间更长。这些效应独立于刺激频率或神经元类型。重要的是，在多电极阵列实验中，这种同步化效应能从刺激位点传播至约1mm外的皮层区域。即使在运动期间（此时Sst-Chodl细胞通常不活跃），刺激也能增强同步性。在QW期间激活Sst-Chodl细胞，可将delta功率和锋电位同步性提升至与自发SWS相当的水平。这表明Sst-Chodl细胞的激活能够强效增强新皮层同步化，重现SWS期间内源性同步化皮层状态的关键特征。
非Chodl的Sst细胞不驱动同步化
为检验特异性，研究人员选择性激活了Martinotti细胞（一种主要的非Chodl Sst细胞）。结果显示，虽然刺激降低了整体皮层发放率，但并未改变皮层同步性（delta功率和锋电位同步性）。这证明促进新皮层同步化的能力并非所有Sst IN共有，而是Sst-Chodl细胞的一个独特特征。
Sst-Chodl细胞调控远距离皮层区域
在表达ChR2的V1脑片中，通过全细胞膜片钳记录距注射位点最远约2.4mm处的突触后神经元，发现光诱发的抑制性突触后电流（oIPSCs）在V1（注射位点）的反应率最高，尤其在L1、L5和L6层。虽然反应比例随距离增加而下降，但在距注射位点约2mm处仍有近三分之一的神经元检测到oIPSCs。药理学实验证实这些反应是GABA能且单突触的。在体多部位LFP记录显示，激活V1的Sst-Chodl细胞能增强从视皮层到额叶运动皮层等广泛位点的低频LFP功率，效应强度随距离增加而递减。这表明Sst-Chodl细胞通过提供直接的、长程的抑制，能够在毫米级距离上驱动新皮层同步化。
Sst-Chodl细胞的激活促进睡眠
为检验全局激活能否促进睡眠，研究人员通过双侧22个位点注射DREADD病毒实现了全新皮层范围的Sst-Chodl细胞化学遗传学激活。在光照期（非活跃期）给予CNO后，自由活动小鼠的SWS和REM睡眠时长均增加，睡眠潜伏期缩短，SWS发作次数增多（而非单次时长），同时伴随运动减少和巢穴停留时间增加。LFP分析显示，激活同样增强了低频功率，且效应主要局限于新皮层。在黑暗期（活跃期）进行的实验也观察到类似的促眠效果，甚至使睡眠量达到了光照期基线水平。这表明，独立于昼夜节律，全局激活新皮层Sst-Chodl细胞足以促进皮层同步化和睡眠。
讨论与结论
本研究揭示了长程新皮层Sst-Chodl细胞——一类进化高度保守的独特神经元亚型——在低唤醒同步化状态下选择性活跃，并能促进同步化新皮层活动的模式。研究人员提出，Sst-Chodl细胞通过其广泛的局部和长程投射来同步化新皮层网络，使其成为睡眠调控中的一个关键皮层组成部分。
传统的睡眠调控框架强调皮层下结构是睡眠启动和维持的主要驱动力，而皮层主要被视为被动接收器。然而，越来越多的证据支持新皮层在睡眠-觉醒调控中扮演更积极的角色。本研究通过识别Sst-Chodl细胞这一独特的皮层群体，扩展了这一框架。Sst-Chodl细胞在自身胞体所在的皮层区域具有异常致密的投射和高突触连接性，使其非常适合促进局部皮层同步化，这可能与局部睡眠现象相关。此外，它们的远程轴突能抑制数毫米外的神经元，为远距离新皮层区域的同步化提供了机制。值得注意的是，Sst-Chodl细胞在深层皮层提供特别强的突触抑制和LFP调制，而深层锥体神经元与同步化状态密切相关，提示Sst-Chodl细胞可能通过塑造深层皮层回路的活动来影响睡眠稳态。
尽管Sst阳性IN作为一个群体被认为与皮层状态调控和睡眠相关，但其功能角色在不同研究中难以调和。本研究的结果强调了基于转录组的精准靶向策略对于解析IN亚类功能的至关重要性。此外，Sst-Chodl细胞还可能通过释放一氧化氮（NO）等信号分子发挥作用，这与既往关于Nos1基因敲除小鼠睡眠结构受损的研究相符。
总之，这些发现共同确定了Sst-Chodl细胞是一个连接新皮层同步化与睡眠调控的皮层回路元件，与皮层活动直接参与睡眠控制的观点一致。
