纹状体多巴胺D1受体调控睡眠-觉醒的神经生物学机制

It has been reported that excessive daytime sleepiness was commonly observed in Parkinson disease. Dopamine D1 receptor (R) agonists alleviated excessive daytime sleepiness and increased amount of wakefulness in experimental parkinsonism animal models, whereas D1R antagonist increased sleep. These results indicate that D1R may regulate wakefulness. However, the underlying neural circuits and molecular mechanisms of D1R in sleep-wake regulation remain to be elucidated. We hypothesize that D1R may promote wakefulness via the direct pathway in the striatum. In the proposed research, we will employ novel techniques of Cre-flox, DREADD, shRNA and D1R KO mice to dissect neural circuits and role of dopamine D1R in sleep-wake regulation. The expected results will provide several lines of evidence to understand physiological sleep-wake cycle, to explore the mechanisms of sleep disturbances in Parkinson disease and help to develop effective drugs for treating insomnia patients.

帕金森病患者日间过度嗜睡，多巴胺D1受体（Receptor, R）激动剂改善帕金森模型动物的嗜睡症状，增加动物觉醒量；D1R拮抗剂可增加睡眠。提示：D1R可能与觉醒调控相关，但分子机制和神经环路不明。D1R主要表达在纹状体、嗅结节等脑区。我们假说：纹状体D1R可能通过直接通路调节睡眠-觉醒。为了克服药理学方法缺乏高度特异性以及基因敲除动物的代偿作用，本课题将使用D1R-Cre小鼠，利用光遗传及被特定药物活化的受体"DREADD"法，特异性控制D1R阳性神经元活性、RNA干扰、D1R-Cre动物注射AAV-Flox-EGFP质粒解析神经通路和D1R KO动物等方法，研究纹状体多巴胺D1R调控睡眠-觉醒的作用及分子机制。预期结果对丰富和发展睡眠-觉醒调节理论，认识帕金森病睡眠障碍发病机理和睡眠药物开发提供重要的理论依据。

伏隔核（nucleus accumbense，NAc）参与运动、奖赏等行为反应，这些行为都依赖于觉醒。多巴胺D1受体（Receptor, R）主要表达在NAc，D1R激动剂能改善帕金森模型动物的嗜睡症状，然而，D1R对睡眠-觉醒的影响不明。我们利用光遗传和化学遗传学、电生理膜片钳、特异性神经元示踪等技术和D1R KO动物，研究了NAc多巴胺D1R调控睡眠-觉醒的作用及神经环路机制。结果发现，化学遗传学激活NAc D1R神经元，促进觉醒，第1、2个小时内的觉醒量分别比对照组增加了69.9%和164.3%；抑制NAc D1R神经元减少觉醒量。光遗传学蓝光激活NAc D1R神经元，可迅速诱导ChR2-mCherry小鼠从非快动眼（non-rapid eye movement, NREM）睡眠向觉醒的时相转变，20 Hz光照持续16 s引起小鼠觉醒的概率达90%；间断性1 h光照，可增加小鼠觉醒量，与前一天基础值比较增加了63.5%。采用特异性神经元示踪法研究NAc内D1R神经元调控觉醒的神经环路，发现其主要投射到中脑黑质致密部（SNc）、腹侧被盖区（VTA）和外侧下丘脑（LH）。离体脑片膜片钳显示，NAc D1R神经元的轴突末梢与SNc中的非多巴胺能神经元形成突触联系，而与VTA中多巴胺能神经元形成突触联系。蓝光激活NAc D1R 神经元在中脑SNc/VTA或外侧下丘脑（LH）的纤维末梢，可迅速诱导小鼠从NREM睡眠向觉醒转变，同时伴有明显肌电活动。1 h蓝光刺激SNc/VTA或LH末梢，可显著增加蓝光照期间的觉醒量，与此对应的是分别减少REM睡眠和NREM睡眠。在NAc局部，NAc D1R 神经元抑制D2R神经元。另外，与WT小鼠相比，D1R KO小鼠在暗期觉醒量明显增加。以上结果表明，NAc D1R神经元在觉醒启动和维持中发挥重要作用。该结果对丰富和发展睡眠-觉醒调节理论，认识帕金森病睡眠障碍发病机理和睡眠药物开发提供了重要的理论依据。