光遗传学研究基底前脑胆碱能神经元在睡眠觉醒中的作用及机制

It has been found that the extensive projections from the cholinergic neurons in the basal forebrain may activate cortex in rats and mice. In addition, the activation of these cholinergic neurons may be involved in cortical activation especially in rapid eye movement (REM) sleep. However, in the past, due to the lack of an effective technique that may specifically interfere with the activity of these cholinergic neurons, the regulation models, the neural circuits and the mechanism of BF cholinergic neurons in sleep-wake behavior are not clear. Recently, our preliminary study using optogenetic technique in ChAT-ChR2-EYFP transgenic mice showed that selectively excitation of BF cholinergic neurons can "wake up" animal in slow wave sleep, but will not immediately affect animal in awake or rapid eye movement sleep state. Therefore, in the present project we will use optogenetics, multi-electrode recording system, microdialysis, c-fos immunohistochemical staining and other means, and further study the roles of BF cholinergic neurons in sleep-wake cycle, and reveal the involvement of neurotransmitters, neural circuits and their mechanism. This study will help to understand the neural mechanism in regulation of sleep-wake behavior.

基底前脑（basal forebrain，BF）的胆碱能神经元被认为参与睡眠觉醒活动尤其是快速眼动睡眠。然而，其调节的模式及其神经环路和机制并不清楚，主要是由于一直缺乏特异性干预胆碱能细胞活动的研究手段。最近，我们采用光遗传学方法在ChAT-ChR2-EYFP转基因小鼠上的研究初步发现：用473nm蓝光特异性地兴奋BF中的胆碱能神经元能"唤醒"慢波睡眠中的动物，但不影响动物的清醒或快速眼动睡眠状态。因此，本项目拟采用光遗传学、多电极记录系统、微透析、c-fos免疫组化染色等手段，进一步深入研究BF的胆碱能神经元对睡眠觉醒的影响模式，并揭示参与的神经递质、神经环路及其机制，阐明睡眠觉醒行为调节的神经机制。

基底前脑（basal forebrain，BF）的胆碱能神经元被认为参与睡眠觉醒活动尤其是快速眼动睡眠。然而，其调节的模式及其神经环路和机制并不清楚，主要是由于一直缺乏特异性干预胆碱能细胞活动的研究手段。我们采用光遗传学方法在ChAT-ChR2-EYFP转基因小鼠上，进行了选择性兴奋或者选择性抑制BF的胆碱能神经元对睡眠觉醒活动的影响及影响模式研究。.我们的结果发现，BF胆碱能神经元在促进觉醒和REM睡眠中起着重要作用，这些神经元的激活可以使动物从SWS进入清醒或REM睡眠，而REM睡眠时激活BF的胆碱能神经元并不能引起觉醒；BF的胆碱能神经元的作用可能是加速了SWS向清醒或REM睡眠的转化，但并不影响SWS的最终转化方向与概率；BF胆碱能神经元的长时程激活可以引起类似失眠样的表现。除了以上作用，BF的胆碱能神经元还有个重要作用是终止SWS，并与脑内其它的睡眠调节核团一起控制其向清醒或者REM睡眠的转化。.这部分研究成果发表在Cell子刊《Current Biology》（2014，Mar 15. 24(6): 693-698）上以及《Plos One》（2015 Jul 7. 10(7): e0130130）上，并得到媒体（如新华网、人民网、浙江日报、钱江晚报等）的广泛兴趣与报道。.除了以上科学意义。我们的研究还具有一定的应用前景：为人类有一天可以随意调节睡眠-觉醒、增强注意力等都提供了调控的核团靶点与参数参考。为治疗失眠或者其它睡眠障碍疾病提供了新的思路。