内在光敏视网膜神经节细胞介导的光调节促睡眠中枢（下丘脑腹外侧视前区）的神经环路机制

It is well established that changes of light have strong impact on sleep and even induce somnipathy. Previous studies have shown that the nerve fibers of intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs) directly innervate the sleep promote center, the ventrolateral preoptic area (VLPO), (so called independent of circadian rhythm pathway), or it indirectly project to the VLPO through the suprachiasmatic nucleus (SCN), the centre for circadian rhythm, (so called dependent of circadian rhythm pathway). However, the mechanism of how these two projective pathways interacte and regulate sleep are not fully understanded. In this study, we propose to record electroencephalograph recordings and observe their behaviors in a genetic enginerred mice model in which only the ipRGCs photoreceptor cells are retained. We will artificially change light and dark cycle to study their impact on eletroencepalograph (EEG) and behavior in these mice. Combine optogenetic activation of ipRGCs input fibers with electrophysiological recoding on VLPO in vitro slice, the extracellular field potential recording in vivo and pharmacological analysis, we expact to gain a better understanding of the mechanism of the independent of biological rhythm pathway and the dependent of biological rhythm pathway acting on sleep/wake mediated by ipRGCs, which will demonstrate the neural network function between light-biological rhythm-sleep and provide fundamentalinsight for drug development to treat sleep disorder.

众所周知，光与暗的改变会影响睡眠，甚至会导致睡眠障碍。已有研究表明视网膜内在光敏感神经节细胞（ipRGCs）与促睡眠中枢腹外侧视前区（VLPO）存在直接纤维投射（“非依赖”于生物节律途径）和通过生物节律中枢视交叉上核（SCN）发生间接投射（“依赖”于生物节律途径）。目前，这两种投射途径如何对睡眠进行调控以及它们之间的相互作用及机制尚未完全阐明。本研究在仅保留ipRGCs感光细胞的基因（ipRGCs）小鼠，通过自由活动脑电记录和行为学检测等观察和分析明、暗改变对ipRGCs小鼠的脑电和行为的影响；应用光遗传学方法和离体VLPO脑片膜片钳记录、在体细胞外场电位记录和药理学分析手段，探索光通过ipRGCs介导的“非依赖”于生物节律途径和“依赖”于生物节律途径对睡眠/觉醒的影响及机制，以期揭示光-生物节律-睡眠间的内在的神经网络联系机理，并为临床此类睡眠药物开发提供基础理论指导。

睡眠和觉醒是人类和众多生物体的共同表现的生物状态之一，是中枢神经系统多个核团协同调节的结果。众所周知，光与暗的改变会影响睡眠，甚至会导致睡眠障碍。作为光明暗觉感受器视网膜内在光敏感神经节细胞（ipRGCs）与下丘脑促睡眠中枢腹外侧视前区（VLPO）和下丘脑生物节律中枢（SCN）分别存在直接投射关系。然而这两种投射在睡眠-觉醒调控中的作用尚未完全阐明。本项目利用三种视网膜转基因型小鼠，WT（野生型）、MKO（ipRGC感光蛋白敲除型）、MO（视锥、视杆敲除保留ipRGC感光蛋白型）和TKO（视锥、视杆和ipRGC感光蛋白皆敲除型）小鼠，通过自由活动脑电记录和分析技术，发现ipRGCs在长时程光刺激作用下可促进小鼠的慢波睡眠。通过离体脑片和结合光遗传技术发现ipRGC细胞通过直接兴奋VLPO促觉醒神经元（兴奋性突触后电位）参与光对睡眠-节律的调控。通过离体脑片和结合光遗传技术发现iPRGC细胞通过末梢释放腺苷酸环化酶激活肽调节日间谷氨酸亚型NMDA的作用来进一步调节光对SCN脑区昼夜节律的作用。随着研究的深入，小胶质细胞作为中枢神经系统中重要的免疫功能细胞，其在中枢神经系统新的功能作用不断地被发现。我们采用睡眠剥夺方式，使用抑制小胶质细胞活化的米诺环素发现，VLPO和促觉醒脑区下丘脑结节乳头体核脑区的小胶质细胞在睡眠-觉醒稳态中也参与一定的调节功能。通过本项研究揭示了光（亮）通过视网膜ipRGC细胞直接兴奋VLPO促睡眠神经元触发夜行性动物的睡眠以及影响节律中枢电活动改变，此种效应可能与倒时差密切相关，并且提示睡眠剥夺会通过不同睡眠、觉醒相关脑区的小胶质细胞活动改变进而影响睡眠-觉醒行为。