《Neurobiology of Disease》：REM sleep suppression after penetrating traumatic brain injury is associated with alterations in the supramammillary–hippocampal circuit
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严重局灶性穿透性创伤性脑损伤（pTBI）在14天内引起睡眠–觉醒结构的持续性改变。pTBI显著减少了快速眼动睡眠（REM）及REM相关θ功率。外侧下丘脑（LHA）中食欲素A（OXA）和黑色素聚集激素（MCH）肽水平降低。海马区囊泡性谷氨酸转运体2（Vglut2
严重局灶性穿透性创伤性脑损伤（pTBI）在14天内引起睡眠–觉醒结构的持续性改变。pTBI显著减少了快速眼动睡眠（REM）及REM相关θ功率。外侧下丘脑（LHA）中食欲素A（OXA）和黑色素聚集激素（MCH）肽水平降低。海马区囊泡性谷氨酸转运体2（Vglut2）的减少与REM-θ功率相关。乳头体上核外侧部（SuML）Vglut2转录水平降低提示pTBI后SuM–隔区–海马谷氨酸能信号通路受损。
穿透性创伤性脑损伤抑制快速眼动睡眠并破坏乳头体上核–海马θ振荡环路：一项纵向神经生理与组织学关联研究
创伤性脑损伤（TBI）在全球范围内发病率持续上升，构成重大公共卫生负担，常见病因包括交通事故、跌倒、运动相关脑震荡及军事战斗损伤。无论损伤类型和严重程度如何，高达70%的患者报告睡眠相关障碍，而睡眠在维持身心健康中具有关键作用，因此阐明TBI后睡眠紊乱的病理生理机制是TBI研究的重点方向。睡眠分为非快速眼动睡眠（NREM）和快速眼动睡眠（REM），前者以δ波（1–4 Hz）为主，参与躯体修复和脑恢复；后者以θ波（4–8 Hz）为主，在情绪处理、记忆形成和巩固中发挥核心作用。TBI后REM紊乱及相关的焦虑、抑郁和记忆损害频繁报道，REM睡眠障碍亦常见于帕金森病、路易体痴呆和阿尔茨海默病等神经退行性疾病。下丘脑是睡眠调控的关键区域，外侧下丘脑（LHA）中的食欲素A（OXA）神经元促进觉醒，黑色素聚集激素（MCH）神经元促进REM睡眠，两类神经元在TBI后均受影响。皮质振荡反映大量神经元同步放电模式，θ振荡反映REM期间海马活动。乳头体上核（SuM）位于下丘脑尾侧，在调控θ振荡中发挥核心作用，分为内侧部（SuMM）和外侧部（SuML），SuML中表达囊泡性谷氨酸转运体2（Vglut2）的神经元经内侧隔区投射至海马CA2区和齿状回（DG），构成SuM–海马环路，参与REM相关皮质θ振荡的产生。既往实验性TBI研究报道了睡眠结构改变、皮质振荡变化及LHA肽水平改变，但TBI对SuM–海马环路与REM睡眠及θ振荡关系的影响此前尚未被研究。基于此，研究人员采用严重局灶性穿透性TBI（pTBI）大鼠模型，假设pTBI对睡眠微结构的影响比宏观结构更显著，且这些改变与下丘脑及SuM–海马环路调控异常相关。
研究人员共纳入13只雄性Sprague–Dawley大鼠（sham n=6，pTBI n=7），采用2 mm球形杆以90 m/s速度穿透左半球脑组织建立严重局灶性pTBI模型，sham手术除不进行穿透外其余步骤相同。损伤后当晚即开始持续14天不间断的遥测脑电图（EEG）和肌电图（EMG）记录，涵盖活动期（夜间）和非活动期（白天）。实验终点为损伤后两周，涵盖TBI急性期和亚急性期。主要结局指标为REM睡眠时长和REM相关θ功率，次要结局包括觉醒和NREM时长、多频段频谱功率、神经炎症标志物表达、LHA中OXA和MCH水平，以及海马和SuM中Vglut2/NOS1相关指标。组织学分析采用免疫组织化学（IHC）检测OXA、MCH、Vglut2、GFAP、Iba1、CD68、突触素（SynPhys）和NeuN，采用荧光原位杂交（FISH）检测Hcrt、Pmch、Vglut2和NOS1 mRNA转录水平。睡眠数据采用NeuroScore自动评分结合人工校正，以10秒为epoch分为觉醒、NREM和REM三种状态，功率谱密度采用10阶快速傅里叶变换（FFT）计算，分析δ（0.5–4 Hz）、θ（4–8 Hz）、α（8–12 Hz）、σ（12–16 Hz）、β（16–24 Hz）、低γ（24–49 Hz）和高γ（51–80 Hz）频段相对功率。统计分析采用混合效应模型（REML）分析纵向睡眠数据，双侧结构采用双因素重复测量方差分析，非双侧分析采用Welch's t检验，相关性分析采用Pearson相关。
3.1 pTBI诱导皮质和皮质下结构的炎症和胶质增生：IHC分析显示，pTBI后损伤同侧皮质邻近穿透区域I–VI层CD68和Iba1免疫反应性显著增加，GFAP积分密度（IntDen）升高；海马CD68和Iba1轻度增加但未达显著，GFAP IntDen显著升高；同侧丘脑CD68、Iba1和GFAP均显著增加；LHA中CD68和Iba1增加（以Iba1最显著），GFAP无显著变化；胼胝体中选择性增加CD68和Iba1，GFAP变化有限。对侧区域变化较小或未达显著。
3.2 pTBI诱导睡眠–觉醒相宏观和微观结构的显著改变：14天记录期间，pTBI动物白天（非活动期）总觉醒时间显著减少（Group效应F(1,11)=5.000, p=0.0470），夜间（活动期）觉醒时间无组间差异。REM睡眠在白天和夜间均显著减少（白天F(1,11)=25.53, p=0.0004；夜间F(1,11)=38.95, p<0.0001），部分pTBI动物在最初几天和夜间出现12小时周期内REM完全缺失（0分钟）。NREM睡眠仅在白天显著增加（F(1,11)=11.88, p=0.0055），夜间无显著差异。功率谱分析显示，觉醒期间相对θ功率在白天显著降低（F(1,11)=6.056, p=0.0316），夜间呈非显著趋势；REM期间θ功率在白天（F(1,11)=24.73, p=0.000）和夜间（F(1,11)=27.32, p=0.0003）均显著降低；NREM期间θ功率在白天（F(1,11)=5.907, p=0.0334）和夜间（F(1,11)=7.213, p=0.0212）均轻度但显著降低。排除早期术后镇痛窗口后REM睡眠和REM-θ功率的降低仍显著。此外，δ功率在所有觉醒状态和昼夜均增加，α功率在所有状态均降低，σ功率夜间所有状态及白天觉醒和NREM中降低，β功率仅在NREM中降低，低γ功率在REM期间白天和夜间均增加，高γ无显著变化，EMG振幅不受影响。
3.3 睡眠–觉醒紊乱伴随LHA中OXA和MCH水平降低：IHC定量显示pTBI后LHA中OXA水平在两个半球均显著降低（Group F(1,11)=10.15, p=0.0087），OXA IntDen与平均觉醒时间呈正相关（r=0.5739, p=0.0403）。MCH肽水平在pTBI后亦显著降低（Group F(1,11)=7.634, p=0.0185），同侧降低显著而对侧差异未达显著，MCH IntDen与平均REM时长无显著相关。FISH分析显示PMCH转录水平在同侧LHA显著降低（Group F(1,11)=9.305, p=0.0110），OXA转录水平无显著组间差异。
3.4 海马Vglut2水平降低与REM-θ抑制相关：pTBI动物CA2区Vglut2 IntDen在两个半球均显著低于sham（Group F(1,11)=151.4, p<0.0001），DG区Vglut2亦显著降低（Group F(1,11)=27.53, p=0.0003）。CA2区NeuN IntDen无组间差异，DG区NeuN显示半球效应和组效应趋势但交互未达显著。将Vglut2 IntDen归一化至NeuN后CA2和DG差异仍显著。相关性分析显示CA2区Vglut2水平与REM期间相对θ功率呈正相关（r=0.6062, p=0.0281），DG区亦呈正相关（r=0.6957, p=0.0083）。共聚焦图像显示Vglut2信号呈点状分布并与突触前标志物突触素共定位，符合海马中Vglut2的突触前分布特征。
3.5 SuM中Vglut2转录水平降低将REM-θ抑制与SuM–海马谷氨酸能信号改变联系起来：SuML和SuMM中NOS1转录水平在sham和pTBI间无差异，总NOS1 IntDen与REM-θ功率无显著相关。SuML中Vglut2转录水平在pTBI后同侧显著降低（Group F(1,11)=5.167, p=0.0441），对侧呈非显著趋势；SuMM中Vglut2无组间差异。SuM总Vglut2 IntDen与REM期间相对θ功率呈正相关（r=0.5895, p=0.0340）。
讨论部分总结：本研究首次将创伤后REM-θ抑制与SuM–海马谷氨酸能信号紊乱联系起来。OXA和MCH作为觉醒–REM调控的对立轴同时降低，提示下丘脑稳态紊乱而非单向觉醒驱动丧失，这可能解释TBI患者中嗜睡与失眠并存的混合睡眠表型。SuML中Vglut2转录水平降低支持向海马的谷氨酸能信号改变，但仅同侧显著无法完全解释海马Vglut2的双侧降低，可能还涉及SuM-穹窿投射、其他谷氨酸能传入、轴突变性或更广泛的突触重塑。pTBI对远离撞击部位的SuM产生效应表明损伤的远距离网络效应，LHA至SuM的OXA投射为 plausible 的贡献因素。内侧隔区在损伤中基本完整，且将海马Vglut2归一化至NeuN后差异仍显著，表明海马Vglut2降低不能仅由结构性环路中断解释。频谱变化方面，δ功率增加伴θ、α、σ功率降低符合TBI后弥漫性皮质减慢特征，但θ抑制与记忆损害的关系值得关注。α抑制可能反映注意力障碍，但需注意大鼠α频带可能与更宽θ范围重叠。
研究结论：本研究确定了严重局灶性穿透性TBI后REM-θ抑制与SuM–海马网络改变之间的关联。REM睡眠的同步抑制、θ振荡衰减以及SuM–海马通路中Vglut2相关谷氨酸能信号降低支持创伤后睡眠功能障碍的环路特异性机制。REM-θ振荡与明确的神经解剖学改变相关联，加强了实验性TBI模型与人类疾病之间的转化桥梁。EEG衍生的频谱标志物，特别是REM相关θ功率，可能代表监测网络完整性、疾病进展和治疗反应的临床适用生物标志物。针对REM调节系统（包括OXA、MCH或SuM–海马通路）的干预可能比非特异性催眠方法提供更具机制驱动性和潜在更有效的TBI患者预后改善策略。
