视网膜至腹外侧室前核的直接光输入对动物睡眠的调控作用研究

Many eye diseases including glaucoma and retinal pigment dermatitis can lead to blindness in the late stage, which is always accompanied with sleep disorders. Ventrolateral preoptic nucleus (VLPO) is a putative sleep-active nucleus. Whether there is a direct relationship between this blindness and sleep disorders and whether the VLPO neurons accept the regulation of retinal direct photic inputs are still not clear. Recent studies suggest that the retinal ganglion cells (RGCs) play a critical role in regulating circadian rhythms and mood. Our pilot study shows that the VLPO receive direct inputs from RGCs. The present study is to investigate morphological and electrophysiological features of the VLPO projecting RGCs by using neural electrophysiology, pharmacology, and immunohistochemistry methods. By using our newly developed immunotoxin technique, we selectively eliminate retinal direct inputs to the VLPO, then record EEG and EMG in freely moving rats and analyze the changes occurred in the hypnogram and possible mechanisms. This study will help to understand the neural mechanisms and offer new thoughts on the prevention and treatment of sleep disorders caused by eye diseases.

许多常见眼病包括青光眼和视网膜色素上皮炎在晚期均可导致患者失明进而出现睡眠异常,这种失明和睡眠异常之间存在显著的对应关系。这种失明和睡眠异常之间是否存在直接因果关系，视网膜的直接光输入是否通过调控下丘脑的腹外侧视前核这一睡眠关键核团来影响睡眠，到目前还未见有研究报道。前期研究证实视网膜神经节细胞对动物的节律和情绪等非视觉功能具有调控作用。预实验结果显示在视网膜神经节细胞与腹外侧视前核之间存在直接投射关系。本项目拟以正常大鼠为实验动物，采用神经电生理学、药物学，免疫组织化学等手段研究投射到腹外侧视前核的神经节细胞的结构功能特性，采用自主研发的选择性清除投射到腹外侧视前核的视网膜神经节细胞的手段，切断这一神经通路的光信息传递，记录动物的脑电和肌电，分析动物睡眠结构的改变及可能的机制。这将有助于了解众多眼病患者睡眠异常形成的神经机制，为寻求积极有效的预防措施提供新的思路。

大量实验证据提示，视网膜神经节细胞（RGC）直接投射到许多参与非视觉功能的脑内核团，这些核团在处理和调控感知觉和情绪活动中起重要作用。VLPO是调控睡眠的关键核团，虽然最近有学者认为 VLPO 可能并不是睡眠的 总开关，但其在睡眠中发挥重要作用是不可否认的，并且有研究认为在老年人 身上睡眠的减少可以用 VLPO 的萎缩来解释。MeA是调控情感的关键核团之一， 它可能通过快速和粗略的方式加工并处理情感相关视觉信息（AVI），这是当前AVI研究进展中 最受学界重视的假说。这些非视觉核团均可通过 RGC 获取外界 AVI。然而目前对这些通路中 RGC 的形态学和生理学特性、 处理AVI 的神经环路的结构和功能以及RGC参与调控动物情绪情感的 神经机制都知之甚少。RGCs的直接光输入是通过哪些类型的细胞来调控VLPO这一睡眠关键核团来影响睡眠，以及直接投射到MeA的RGCs的形态和类型，到目前还未见有全面的研究报道。虽然有报道黑色素表达的神经节细胞（ipRGC）可以直接投射到这两个核团，但是传统的视网膜神经节细胞（cRGCs）是否支配了这两个核团，仍有待确定。本项目是以沙鼠为实验动物，采用逆向示踪标记技术，细胞 内注射技术，免疫组化，三维成像分析技术等手段来研究VLPO和MeA投射的RGCs的形态学特性，分布特点和细胞类型。目前的结果表明，cRGCs和ipRGCs都可以直接投射到脑内的非视觉功能核团。而且约96%的为cRGCs，只有一小部分是ipRGCs，且其在视网膜上的分布是均匀的。胞体大小和树突野的大小并没有随着离心度的变化而发生变化。我们的实验研究发现，MeA-cRGCs是由两种形态类型的细胞组成，其中95%约为RGB2，另外5%约为RGB3。由此我们得出结论：投射到脑内非视觉功能核团的RGCs是多样性的，既包括cRGCs，又包括了ipRGCs。这一研究结果对于研究RGCs调控MeA功能的机制提供理论基础，为相关情绪性精神疾病提供科学依据。