論文解讀：從清醒到睡眠之NREM睡眠中意識減弱的關鍵神經機制_abio生物試劑品牌網
在日常生活中，睡眠時意識感知會大幅減弱，然而其背后的神經環路機制卻鮮為人知。
2023年，加州大學分子與細胞生物學系丹揚教授團隊在Cell（IF2023=45.5）上發表了題名為“Circuit mechanism for suppression of frontal cortical ignition during NREM sleep”的文章。該研究旨在揭示非快速眼動（NREM）睡眠期間意識感知減弱的神經環路機制。核心科學問題是：1）為何感覺信息在NREM睡眠期間無法有效傳播至前額葉皮層？2）膽堿能系統和特定抑制性神經元（如PV陽性中間神經元）如何動態調控皮層間的信息傳遞？3）睡眠依賴的皮層活動"點燃"（ignition）抑制是否與意識狀態轉換相關？研究通過解析視覺皮層至前額葉的功能連接在睡眠-覺醒周期中的特異性變化，探索了意識產生的神經基礎這一根本問題。
研究亮點
研究的圖摘要：對睡眠期間意識減弱神經環路機制的研究表明，非快速眼動（NREM）睡眠中前額葉皮層神經活動的"點燃"（ignition）受到抑制，這一現象源于兩個關鍵機制：膽堿能神經調制作用減弱，以及前額葉皮層錐體神經元的抑制模式從樹突抑制轉變為胞體周圍抑制。 此研究的亮點包括：
1、首次揭示睡眠中皮層激活抑制的環路機制：發現 NREM 睡眠期間，基底前腦膽堿能神經元活動減弱，同時前額葉皮層錐體神經元從樹突抑制轉變為胞體抑制，尤其是 PV 中間神經元活性增強，有效抑制了皮層激活。
2、多技術聯用的創新性研究：結合功能超聲成像（fUSi）、鈣成像、光遺傳學和化學遺傳學等多種技術，從腦區整體活動到細胞類型特異性活動，全面解析了睡眠 - 覺醒狀態下皮層激活的調控機制。
3、提出抑制平衡轉變的新觀點：指出睡眠時皮層抑制從樹突靶向轉向胞體靶向，這種抑制模式的轉變是抑制皮層激活的關鍵，為理解睡眠中意識減弱提供了新的理論基礎。
研究結果
基于fUSi的神經活動全腦傳播觀測
通過光遺傳學刺激小鼠初級視覺皮層（V1）錐體神經元，結合功能性超聲成像（fUSi）技術，首次在全腦尺度上繪制了V1神經活動的傳播路徑。
實驗利用Cre依賴性ReaChR病毒特異性激活V1神經元，并通過fUSi檢測腦血容量（CBV）變化來反映神經活動。結果顯示，除V1外，壓后皮層（RSP）、前扣帶皮層（ACA）等接受V1直接投射的皮層區域表現出強烈的CBV響應，丘腦（TH）和上丘（SC）等皮層下結構也被顯著激活。
這些發現證實了V1作為視覺信息樞紐，通過長程投射廣泛調控多腦區功能活動。
圖1. 睡眠與清醒狀態下光遺傳激活V1區誘導全腦CBV響應的功能性超聲成像
(A) 示意圖顯示V1區病毒注射與表達（左；比例尺1 mm），以及結合光遺傳刺激、腦電/肌電記錄的功能性超聲成像（右）。黑框為成像視野。
(B) 典型矢狀面成像顯示V1刺激顯著激活的腦區（n=17次試驗）。各體素活性經Z評分后偽彩顯示。采樣頻率1 Hz。LGd：丘腦背外側膝狀體復合體。
(C) V1與LGd的CBV響應曲線。
(D) 跨小鼠平均的全腦響應。虛線框為成像視野。
(E) V1刺激激活的主要腦區匯總。虛線標示皮層下結構輪廓。
(F) 示例實驗中前額葉腦電功率譜、肌電及全腦CBV活動（底部），包含多個睡眠-覺醒周期（顏色標記）。
(G) 腦狀態轉換時的平均全腦CBV活動。時間0為轉換點。
(H) 各腦狀態下的平均全腦CBV活動。每線代表一只小鼠數據。
(I) NREM睡眠與清醒期V1誘發CBV響應的跨小鼠平均值。單試次基線信號已扣除。紅色橫條：激光刺激時段。
(J) NREM與清醒期響應振幅差異。各點代表一只小鼠。
視頻1. 光遺傳激活V1錐體神經元誘導全腦CBV響應的3D視圖（關聯圖1）
彩色標注顯示激活腦區（n=10只小鼠），右側標注關鍵腦區縮寫。除圖1E所示區域外，體感皮層（SS）與海馬（HIP）也有響應。VIS：視覺相關區域。
皮層神經活動在NREM睡眠期間受到抑制
利用fUSi技術結合光遺傳學，探究了小鼠在不同睡眠狀態下V1區神經元活動的傳播模式。
實驗發現，NREM睡眠期間，盡管V1區對光刺激的直接響應與清醒狀態相似，但V1向高級皮層（如RSP、ACA）的活動傳播顯著減弱，表明NREM睡眠可能選擇性抑制皮層間的信息傳遞。相比之下，皮層下結構如上丘（SC）的響應未受影響，而丘腦（TH）活動甚至略有增強，提示NREM睡眠對神經活動的調控具有區域特異性。REM睡眠期間皮層活動傳播強于NREM睡眠，但因數據量不足未深入分析。
這些發現揭示了睡眠狀態如何動態調節大腦信息流，NREM睡眠可能通過抑制皮層間連接促進記憶鞏固或神經可塑性，而皮層下通路（如丘腦-皮層環路）可能仍保持一定功能。
NREM睡眠期間ACA錐體神經元的快速抑制
通過鈣成像技術揭示了NREM睡眠期間前扣帶皮層（ACA）錐體神經元活動的獨特抑制模式。
實驗發現，雖然V1區神經元對光遺傳刺激的反應在清醒和NREM睡眠期間無差異，但ACA神經元表現出完全相反的反應模式：清醒時呈現強烈興奮，而NREM睡眠時則出現顯著抑制，活動水平甚至低于基線。這一現象在雙光子成像中得到了驗證，表明NREM睡眠會選擇性抑制高級皮層的信息處理。
研究指出，這種快速抑制機制可能通過阻斷皮層間的循環興奮網絡，防止神經活動的過度放大，從而解釋了為何NREM睡眠期間缺乏意識感知。這些發現不僅證實了fUSi測量的血流動力學變化確實反映了神經元活動的改變，更重要的是揭示了睡眠狀態依賴的神經信息流調控機制，為理解意識產生的神經基礎提供了新見解。
圖2. 光遺傳激活V1誘導ACA與V1錐體神經元鈣信號成像
(A) 左：鈣成像病毒注射示意圖；右：自由活動小鼠光纖記錄方案。
(B) 示例實驗的前額葉腦電、肌電及V1/ACA鈣信號。
(C) 腦狀態轉換時V1鈣信號（左）及各狀態均值（右）。時間0為轉換點。
(D) ACA錐體神經元鈣信號的對應分析。
(E) 光遺傳刺激誘導的V1錐體神經元鈣響應。插圖：NREM與清醒期響應振幅差異。
(F) V1刺激誘導的ACA錐體神經元鈣響應。
膽堿能系統對皮層神經活動點燃的調控
研究揭示了基底前腦膽堿能系統通過動態調控皮層抑制性輸入，決定感覺信息在皮層網絡中的傳播效率。
通過化學遺傳學操控發現：抑制膽堿能神經元會選擇性減弱清醒期V1至ACA的神經活動傳播，而激活則能顯著增強NREM睡眠期的傳播強度，甚至將ACA神經元典型的抑制反應逆轉為興奮反應。這種調控具有高度狀態特異性——膽堿能抑制僅影響本就依賴該系統的清醒期，而激活則可突破NREM睡眠的傳播限制。局部實驗證實該效應獨立于整體覺醒狀態改變，且主要通過調節皮層局部抑制性環路實現。
研究首次建立了"膽堿能信號-抑制性微環路-跨皮層信息流"的完整因果鏈條，為理解意識狀態相關的信息處理機制提供了新范式：膽堿能神經元的動態活動通過門控皮層間興奮/抑制平衡，決定感覺信息能否被高級皮層整合，這可能是睡眠-覺醒周期中意識體驗浮沉的重要神經基礎。
圖3. 基底前腦膽堿能神經元化學遺傳抑制對V1-ACA活動傳播的影響
(A) 基底前腦膽堿能神經元病毒表達（比例尺200 μm）。
(B) 化學遺傳抑制實驗流程。IP：腹腔注射。
(C) CNO給藥前后ACA區CBV響應（hM4Di組跨小鼠平均）。
(D) CNO/生理鹽水處理的振幅差異匯總。
圖4. 基底前腦膽堿能神經元化學遺傳激活對V1-ACA活動傳播的影響
(A-B) 實驗設計與病毒表達（同圖3）。
(C) hM3Dq組CNO給藥前后ACA區CBV響應。
(D) 激活處理的振幅差異統計。
VIP、SST、NDNF和PV GABA能中間神經元的作用
研究系統解析了不同抑制性中間神經元在睡眠-覺醒周期中對皮層信息傳遞的差異化調控。發現VIP/SST/NDNF神經元在清醒期更活躍，而PV神經元在NREM睡眠期活性顯著升高，呈現獨特的"睡眠激活"特性。
通過化學遺傳學操控證實，PV神經元是NREM睡眠期抑制高級皮層信息處理的關鍵閘門——其激活可抑制清醒期的跨皮層傳播，而失活則解除NREM睡眠期的傳播抑制。NDNF神經元雖在NREM睡眠期對V1刺激有反應，但調控作用較弱，主要在清醒期通過抑制PV神經元間接影響網絡興奮性。
這些發現揭示了皮層微環路中"PV神經元主導-NDNF神經元微調"的層級抑制機制，闡明了睡眠狀態下感覺信息被高級皮層阻斷的細胞基礎，為理解意識狀態轉換的神經環路機制提供了新視角。
圖5 VIP/SST/NDNF/PV抑制性中間神經元的腦狀態依賴性活動
(A) ACA區VIP神經元鈣信號。A1：示例實驗；A2：狀態轉換時活動；A3：各狀態均值。
(B) V1刺激誘導的VIP神經元響應。
(C-H) SST/NDNF/PV神經元的對應分析。
圖6 ACA區PV神經元化學遺傳操控對V1誘發錐體神經元響應的影響
(A) 左：實驗設計；右：ACA區GCaMP6s（綠）與PV神經元mCherry（紅）共表達（比例尺200 μm，白框內放大圖100 μm）。
(B) hM3Dq/hM4Di組CNO處理前后錐體神經元響應曲線。
(C) 處理前后振幅差異統計（NREM期hM3Dq與hM4Di組差異p=0.0026）。
研究總結
這項《Cell》研究揭示了NREM睡眠中意識減弱的關鍵神經機制。
通過多模態成像及神經調控技術（fUS、鈣成像、光遺傳學、化學遺傳學），首次發現基底前腦膽堿能神經元通過調控PV陽性抑制性中間神經元，在NREM睡眠期選擇性阻斷視覺皮層至前額葉的信息流。該研究不僅闡明了"皮層點燃"抑制的細胞環路基礎（膽堿能輸入-PV神經元-錐體神經元通路），更建立了睡眠-覺醒周期中意識門控的完整理論框架，為理解意識障礙疾病提供了新靶點。其創新性在于將宏觀腦網絡功能與微觀細胞類型特異性調控有機結合，是意識神經科學研究的重要突破。
參考文獻
Li B, Ma C, Huang YA, et al. Circuit mechanism for suppression of frontal cortical ignition during NREM sleep. Cell. 2023 Dec 21;186(26):5739-5750.e17. doi: 10.1016/j.cell.2023.11.012.
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