下丘脑室旁核调控觉醒的神经生物学机制

Stress-induced insomnia becomes severe social and medical problems. However, there are no effective ways to treat this insomnia clinically because the neural circuits and molecular mechanisms are not clear. The paraventricular nucleus of hypothalamus (PVH) has been reported to be involved in stress reaction and to govern the neuroendocrine stress response. Our preliminary results showed that activation of the PVH induces potent wakefulness. Anatomically, the PVH widely and extensively connects other hypothalamic and brainstem structures including the circadian pacemaker suprachiasmatic nucleus (SCN) and parabrachial nucleus (PB) which we demonstrated to be key nucleus for arousal. Therefore, we proposed that PVH is the key brain region which regulates insomnia induced by stress. To address neural circuit for the arousal effects induced by the PVH, we will employ DREADDs (designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs) approach and optogenetic technology to activate or inhibit the PVH, PB, SCN and PVH-PB pathway, automatic sleep bioassay systems, to clarify the key neuron types in the PVH for initiating wakefulness, neural circuits and neurotransmitters involved. The expected results will shed light on the neurobiological mechanism for insomnia induced by stress, which in turn will aid in the development of novel treatment drugs.

应激是诱发失眠的主要因素，因为机制未明，临床缺乏治疗有效对策。揭示应激失眠的神经生物学机制，是睡眠研究的重要科学问题。下丘脑室旁核（PVH）是应激反应重要调控部位，但PVH引起失眠的神经生物学机制未明。PVH与睡眠觉醒核团间存在直接或间接的神经纤维联系。结合预试验结果，我们假说：PVH是应激性失眠的重要调控核团，通过下游臂旁核（parabrachial nucleus，PB）产生强效觉醒作用。本题将利用睡眠解析平台、Vgat- cre/Vglut2- cre/AVP- cre小鼠、DREADDS和光遗传人为控制神经元活性法、特异性神经追踪、体外电生理等方法，揭示PVH调节觉醒的神经元类型、神经环路和分子生物学机制。研究成果将丰富睡眠医学理论，并对认识应激性失眠症机制及相关药物开发提供理论基础。

适度觉醒对正常的生理功能有重要维持作用。嗜睡症被认为与觉醒系统功能障碍高度相关。但在过去的100年中，与觉醒启动及维持功能高度相关的核团和神经生物学机制仍旧不清楚。目前已经鉴定出15个以上的促觉醒核团。100多年前，著名神经科学家冯•埃科诺莫从昏迷的流行性脑炎患者中观察到明显的嗜睡现象，提出经典的理论：脑干上行网状激活系统（ARAS）是觉醒维持的关键。但是，在对ARAS包括后背盖膜（LDT），基底前脑（BF）， 脚桥被盖核（PPT）胆碱能神经元，腹外侧背盖核（DRN）血清素能神经元和蓝斑核（LC）去甲肾上腺素能神经元进行特定的损毁或抑制后，对觉醒的改变却非常的有限，动物并没有表现出过度嗜睡。此外，下丘脑外侧区（LH），臂旁核（PB），结节乳头核（TMN），丘脑室旁核（PVT），腹侧被盖区（VTA）是最近发现的觉醒调节核团。然而，在这些促进唤醒的细胞核中，仅LH食欲素能神经和PB谷氨酸能神经元与觉醒有关，人或动物LH食欲素能神经和PB谷氨酸能神经元功能障碍导致嗜睡症和睡眠碎片化。这些研究说明，除了经典的觉醒维持系统ARAS， 仍旧有重要的觉醒促进和维持核团没有发现和阐明。我们研究发现下丘脑室旁核（PVH）是嗜睡症调控的重要脑区。双侧损毁PVH谷氨酸能神经，可以使老鼠睡眠量降低约25%，而PVH区域损伤的患者睡眠时间达到20小时以上。通过使用vglut2 cre, CRH cre, AVP cre转基因老鼠，结合化学遗传学，光遗传学，钙信号、spike记录等方法，我们发现PVH谷氨酸能神经和促肾上腺皮质激素释放激素（CRH）神经，是调节觉醒的重要神经系统。PVH谷氨酸能神经激活能产生10小时以上觉醒，而损毁使小鼠出现明显嗜睡。PVH CRH神经激活产生3小时觉醒，而且在觉醒启动和维持过程中，PVH谷氨酸能神经和CRH神经放电活性明显增加。进一步研究发现，PVH谷氨酸能神经通过PB，LSv等核团维持强效觉醒。这些研究说明PVH对人和动物来讲，都是一个重要的觉醒促进和维持核团。我们的研究为睡眠-觉醒理论提供了重要的数据支持，找寻到经典觉醒系统之外的另一个重要的觉醒核团和投射通路，这为失眠-促眠药物的开发提供了重要的理论基础。