Funkční propojení hypocretinů a LC-NE neuronů: důsledky pro vzrušení (2013)

Abstraktní

Spánek a bdělost jsou dva vzájemně se vylučující stavy, které se cyklují s ultradiánskými i cirkadiánními obdobími v celém království zvířat. Wakefulness je vědomý stav, ve kterém zvíře může vnímat a interagovat se svým prostředím. Po delším období bdělosti se spánkový tlak zvyšuje a vede k nástupu spánku, který je charakterizován jako období relativní nečinnosti se stereotypním držením těla a vyšším senzorickým prahem.

U savců se spánek obecně dělí na spánek s pomalými vlnami (SWS nebo spánek NREM u lidí) a spánek s rychlým pohybem očí (REM) (nazývaný také „paradoxní spánek“). Wakefulness, SWS a REM spánek jsou odlišné behaviorální stavy, které lze definovat přesnými elektroencefalografickými (EEG) a elektromyografickými (EMG) vlastnostmi. Během probuzení převládají kmity se smíšenou frekvencí s nízkou amplitudou. SWS se vyznačuje pomalými oscilacemi s vysokou amplitudou (0.5 – 4 Hz), jejichž převaha (měřená pomocí hustoty výkonu EEG) odráží hloubku spánku. REM spánek je jedinečný behaviorální stav charakterizovaný rychlejšími smíšenými kmitočty kmitů, mezi nimiž dominují u hlodavců oscilace theta (5 – 10 Hz), doprovázené svalovou atonií, kolísání srdeční a dechové frekvence.

Ačkoli stavy spánku a bdění jsou kvalitativně a kvantitativně snadno charakterizovatelné, je překvapivě obtížné definovat, co se myslí „vzrušení“. Termín vzrušení obvykle označuje stupeň bdělosti a bdělosti během bdění, projevující se jako zvýšená motorická aktivace, citlivost na smyslové vstupy, emoční reaktivitu a vylepšené kognitivní zpracování.

Mechanismy mozku, které jsou základem organizace cyklu spánku a bdění a obecné úrovně vzrušení, zůstávají nejasné a mnoho klasických studií identifikovalo několik populací neuronů, jejichž aktivita koreluje s odlišnými behaviorálními stavy. Původně se předpokládalo, že neurony, které jsou aktivní před přechodem chování (tj. Neurony aktivní před přechodem ze spánku do bdění) podporovat nastávající stav, zatímco neurony, které jsou aktivní během konkrétního stavu (bdění nebo spánek), jsou důležité udržovat to. Tento pohled je komplikován pochopením, že neurony v síti mohou vykazovat aktivitu spojenou s hranicemi státu kvůli konektivitě s jinými příčinnějšími neurony, aniž by byly přímo odpovědné za stavové přechody. Přesto se obecně vyvozuje, že existují nervové populace, které hrají příčinnou roli ve stavech spánku a / nebo vzrušení. Populace, o kterých se předpokládá, že podporují vzrušení, zahrnují: hypocretin (hcrt - také nazývaný „orexiny“) - exprimující neurony v laterálním hypotalamu, noradrenergní lokus coeruleus (LC) - neurony exprimující v mozkovém kmeni, serotoninergní hřbetní jádra (DRN) v mozkovém kmeni, histaminergní tuberomammiulární jádro (TMN) v zadním hypotalamu, cholinergní pedunkulopontinová (PPT) a laterodorsální tegmentální (LDT) jádra v středním mozku, stejně jako cholinergní neurony v bazálním předním mozku (Jones, 2003). Naproti tomu inhibiční neurony z předních hypothalamických struktur jsou aktivní během SWS, zatímco melanin-koncentrační hormonální (MCH) neurony z laterálního hypotalamu, stejně jako glutamatergické a GABAergické neurony z mozkového kmene, jsou aktivní během REM spánku (Fort et al., 2009).

V posledních letech jsme my a ostatní začali používat optogenetickou technologii s různými modely myší k řešení otázek, jako je Jak systémy vzrušení regulují bdělost a vzrušení? Jak funkčně interagují, aby propagovaly, udržovaly nebo rozšiřovaly vzrušení ve specifických kontextech? V našich nedávných studiích jsme se zvláště zajímali o neurony, které exprimují hcrt (de Lecea et al., 1998; Sakurai a kol., 1998). Hcrt jsou dva neurob excitační peptidy (de Lecea et al., 1998; Sakurai a kol., 1998) produkované v neuronech ~ 3200 v laterální hypotalamu myší (~ 6700 a 50,000 – 80,000 v mozku krysy a lidského mozku) (de Lecea a Sutcliffe, 2005; Modirrousta et al., 2005). Tyto neurony přijímají funkční vstupy z více systémů distribuovaných v kůře, limbickém systému, subkortikálních oblastech včetně samotného hypotalamu, thalamu a stoupajících projekcí z mozkových jádra cholinergních jader, retikulární formace, jádra raphe středního mozku a periakvedukční šedé. Tyto neurony se zase promítají do centrálního nervového systému, včetně do vzrušujících a odměňovacích center mozku, do neuronů exprimujících receptory hcrt (OX1R a OX2R). Aferentní aferentní projekce neuronů hcrt naznačují, že hrají roli ve více hypothalamických funkcích, včetně regulace cyklu spánku / bdění a chování orientovaného na cíl. Zajímavé je, že jsme zjistili, že specifická efferentní projekce z neuronů hcrt do noradrenergních LC neuronů zprostředkuje přechody spánku a probuzení a možná i obecnější aspekty vzrušení.

Zde shrnujeme nedávné optogenetické experimenty, které testují hypotézu, že neurony hcrt a LC způsobují přechody a udržování stavu vzrušení (Adamantidis et al., 2007; Carter a kol., 2009, 2010, 2012). Nejprve stručně zdůrazníme a shrneme předchozí zprávy o těchto systémech pomocí tradičních genetických a farmakologických technik. Dále integrujeme naše vlastní poznatky pomocí optogenetických sond pro selektivní stimulaci nebo inhibici těchto systémů u volně se pohybujících myší. Nakonec diskutujeme nevyřešené otázky a uvažujeme o budoucích anatomických a funkčních disekcích obvodů vzrušení.

Hypokretiny, bdělost a narkolepsie

Neurony hcrt jsou obvykle tiché během tichého bdění, SWS a REM spánku, ale vykazují vysoké rychlosti vybíjení během přechodů aktivního probuzení a REM mezi přechody (Lee et al., 2005; Mileykovskiy a kol., 2005; Takahashi a kol., 2008; Hassani a kol., 2009). Kromě toho vykazují vysoké rychlosti výboje během vzrušení vyvolané environmentálními podněty (např. Zvukovým stimulem) (Takahashi et al., 2008) a chování zaměřené na cíl (Mileykovskiy et al., 2005; Takahashi a kol., 2008). Tyto studie naznačují, že neurony hcrt se podílejí na přechodech ze spánku do bdění a na zvýšené bdělosti pozorované při různých cílených chováních.

Blokování nebo potlačení signalizace hcrt ukazuje nezbytnost hcrt pro integritu behaviorálních stavů u myší, potkanů, psů, lidí a případně zebrafishes (Sakurai, 2007; Yokogawa a kol., 2007). Nejpřesvědčivější důkaz o ztrátě funkce pochází skutečně ze spojení mezi nedostatkem hcrt a symptomy narkolepsie (Peyron et al., 2000; Saper a kol., 2010). Narkoleptičtí pacienti s kataplexií mají úplnou absenci hcrt genové transkripty v hypotalamu stejně jako nedetekovatelné nebo sotva detekovatelné hladiny hcrt v mozkomíšním moku (Thannickal et al., 2000; Sakurai, 2007; Yokogawa a kol., 2007). Dobermanští narkoleptičtí psi nesou mutaci OX2R, a všechny geneticky upravené hlodavce s vypuštěním hcrt, OX2Rnebo buňky hcrt představují zástavy chování, které se podobají kataplexii, což je charakteristický znak narkolepsie (Jones, 2003; Sakurai, 2007; Sehgal a Mignot, 2011). Důležité je, genetická záchrana hcrt genová exprese zmírnila příznaky narkolepsie u myší (Liu et al., 2011; Blanco-Centurion et al., 2013).

Intracerebroventrikulární (icv) infúze peptidů hcrt nebo agonistů hcrt způsobuje zvýšení času vzhůru a snížení spánku SWS a REM [přehled v Sakurai (2007)]. Stereotaktická injekce peptidu v LC, LDT, bazálním předním mozku nebo laterálním hypotalamu zvýšila bdělost a lokomotorickou aktivitu často spojenou se znatelným snížením SWS a REM spánku (Hagan et al., 1999). V nedávné době genetická dishibice neuronů hcrt pomocí selektivní delece genu receptoru GABA-B pouze v neuronech hcrt vyvolala závažnou fragmentaci stavů spánku / bdění během jak světelných, tak temných období, aniž by došlo k abnormalitě v celkovém trvání nebo příznakech spánku / bdění kataplexie (Matsuki et al., 2009). Souhrnně tato data naznačují, že peptidy hcrt jsou důležité pro definování hranic mezi stavy spánku a bdění, jak ukazuje fragmentace spánku a bdění ve zvířecích modelech narkolepsie.

I když je široce dokumentováno, že biologická funkce peptidů hcrt je nezbytná pro udržení vhodného vzrušení a spánku, zůstává nejasné, který ze dvou receptorů hcrt, OX1R nebo OX2R, je biologicky odpovědný za účinky hcrt na vzrušení, jakož i stabilitu spánku a ovládání svalového tonusu. OX1R mRNA je exprimována v mnoha oblastech mozku, zejména v LC, jádrech raphe, LDT OX2R mRNA vykazuje komplementární vzorec exprese v mozkové kůře, jádrech raphe, jakož i v dorzomediální a zadní (v tuberomamilárním jádru) hypotalamu (Trivedi et al., 1998; Marcus a kol., 2001; Mieda a kol., 2011). Bylo tedy navrženo, že kontrola bdělosti a NREM spánek-brázda kriticky závisí na OX2R (Mochizuki et al., 2011) zatímco dysregulace REM spánku (jedinečná pro narkolepsii-kataplexii) je důsledkem ztráty signalizace prostřednictvím OX1R a OX2R (Mieda et al., 2011). Jejich dopady na regulaci narkolepsie, zejména kataplexie a spánek, však zůstávají nejasné. Psi s dědičnou narkolepsií nesou nulovou mutaci OX2R gen (Lin et al., 1999) a odpovídající model myši, OX2R KO myši, vykazují méně závažné příznaky než psi (Willie et al., 2003). Přestože se OX1R účastní regulace vzrušení (Mieda et al., 2011), jeho příspěvek k příznakům narkolepsie je třeba dále charakterizovat.

Důležité je, že aktivita v jiných systémech vzrušení je během kataplexie silně narušena. Neurony LC přestávají vybíjet (Gulyani et al., 1999) a serotoninergní neurony významně snižují jejich aktivitu (Wu, 2004), zatímco buňky umístěné v amygdale (Gulyani et al., 2002) a TMN vykázaly zvýšenou úroveň střelby (John et al., 2004). Tato asociace naznačuje, že jak OX1R (LC, raphe), tak OX2R (TMN, raphe) jsou zapojeny do udržování vhodného svalového tónu. Nedávné studie také zdůraznily roli změněných cholinergních systémů při spouštění kataplexie u narkoleptických myší (Kalogiannis et al., 2011, 2010). Důležitým, nevyřešeným cílem je proto identifikovat funkční zapojení neuronů hcrt, jakož i dynamiku synaptického uvolňování z terminálů hcrt, aby se přesně vymezily následné projekce (de Lecea et al., 2012), které řídí vzrušení, stavy spánku, svalový tonus a chování orientované na cíl.

Lokus coeruleus, norepinefrin a vzrušení

LC sousedí s 4^th komora v mozkovém kmeni a obsahuje neurony, které syntetizují monoamin norepinefrin (NE). Ačkoli čtyři další populace buněk také produkují NE (buněčné skupiny A1, A2, A5 a A7), LC produkuje ~ 50% celkového NE v mozku a je jediným zdrojem pro mozkovou kůru. V mozku je umístěno mnoho funkčních NE receptorů, přičemž receptory α1 a β obvykle způsobují excitační postsynaptické potenciály a receptory α2 obvykle způsobují inhibiční postsynaptické potenciály. α2 receptory se hustě nacházejí na LC neuronech (Berridge a Waterhouse, 2003) a slouží jako inhibiční autoreceptory k potlačení vnitřní aktivity.

Záznamy v probouzejících se zvířatech ukazují, že neurony LC vypínají tonálně při 1 – 3 Hz během bdělých stavů, méně střílejí během spánku SWS a během spánku REM jsou prakticky tiché (Aston-Jones a Bloom, 1981; Jones, 2003; Saper a kol., 2010). LC také střílí phasically v krátkých dávkách 8-10 Hz během prezentace význačných podnětů, které mohou prodloužit dobu buzení. Stejně jako u neuronů hcrt předcházejí změny v rychlosti výboje změnám přechodů mezi režimem spánku a bdění (Aston-Jones a Bloom, 1981), což naznačuje, že tyto buňky jsou důležité pro přechody k bdělosti nebo pozornosti.

Je zajímavé, že fyzické léze LC nevyvolávají konzistentní změny v kortikální EEG ani behaviorální ukazatele vzrušení (Lidbrink, 1974; Blanco-Centurion et al., 2007). Genetická ablace dopamin beta-hydroxylázy, enzymu potřebného pro syntézu NE, rovněž nenarušuje stavy spánku a bdění (Hunsley et al., 2006). To naznačuje přítomnost redundantních nervových obvodů, vnějších vůči LC struktuře, podporujících kortikální aktivitu a kompenzační vývojové mechanismy. Centrální injekce farmakologických antagonistů a1 a P noradrenergních receptorů (Berridge a España, 2000) nebo agonisty inhibičních autoreceptorů a2 (De Sarro et al., 1987) mají výrazné sedativní účinky. Centrální podávání NE přímo do komor nebo předního mozku podporuje bdělost (Segal a Mandell, 1970; Blikání a Geyer, 1982). Stimulace neuronů v LC pomocí lokálních mikroinjekcí cholinergního agonisty (bethanechol) vyvolává rychlou aktivaci EEG předního mozku u potkanů ​​anestetizovaných halothanem (Berridge a Foote, 1991). Nedávno se ukázalo, že systém LC-NE je rozhodující pro udržení zvýšeného membránového potenciálu kortikálních neuronů vzhůru ve srovnání se stavy spánku (Constantinople a Bruno, 2011). Dohromady tyto studie naznačují, že systém LC-NE desynchronizuje kortikální aktivitu a zvyšuje potenciál kortikální membrány pro zvýšení vzrušení.

Optogenetická pitva hcrt a LC-NE regulace vzrušení

Aktivita neuronů hcrt a LC-NE koreluje s přechodem ze spánku do bdění, bylo však obtížné selektivně stimulovat nebo inhibovat specifické populace hcrt a LC-NE s dočasným rozlišením relevantním pro epizody spánku nebo bdění a dosáhnout prostorová selektivita pro sondu těchto buněk bez ovlivnění okolních buněk nebo průchodných vláken. Ve snaze lépe porozumět časové dynamice nervových obvodů bdělosti jsme nedávno použili optogenetiku pro reverzibilní a selektivní manipulaci aktivity neuronů hcrt a LC u volně se pohybujících zvířat (Adamantidis et al., 2007; Carter a kol., 2009, 2010, 2012). Optogenetika používá molekuly aktivátoru opsinu (např. Channelrhodopsin-2 (ChR2) nebo halorhodopsin - NpHR) k selektivní aktivaci nebo umlčení geneticky zaměřených buněk, v tomto pořadí, se záblesky světla na specifické vlnové délce (Boyden et al., 2005). Další informace o optogenetické technologii lze nalézt v mnoha dalších vynikajících recenzích (Zhang et al., 2006; Miesenbock, 2009; Scanziani a Häusser, 2009; Yizhar a kol., 2011; Deisseroth, 2012).

K dodání těchto akčních členů do neuronů hcrt nebo LC jsme použili nástroje pro dodávání genů virového typu (AAV) závislých na adeno-asociovaném viru (AAV), v daném pořadí, pod kontrolou promotorů specifických pro buněčný typ (Adamantidis et al., 2007). Abychom dodali světlo do pole hcrt nebo LC, navrhli jsme opticko-neurální rozhraní, ve kterých byla optická vlákna chronicky implantována do lebky myši, jak je popsáno jinde (Adamantidis et al., 2005, 2007; Aravanis et al., 2007; Zhang et al., 2010). Použitím této strategie jsme dokázali kontrolovat neurální aktivitu hcrt in vitro a in vivo s milisekundovou optickou stimulací (Adamantidis et al., 2007). Vysoká časová a prostorová přesnost stimulace nám umožnila napodobit fyziologický rozsah průtoků neuronů hypokretinů (1 – 30 Hz) (Hassani et al., 2009). Ve skutečnosti jsme pro naši optogenetickou stimulaci používali lehké pulzní vlaky, které byly založeny na parametrech skutečné frekvenční analýzy neuronů hcrt in vivo (to platí také pro optogenetickou kontrolu LC-NE neuronů popsaných níže). Zjistili jsme, že přímá jednostranná optická stimulace neuronů hcrt zvýšila pravděpodobnost přechodů k probuzení z SWS nebo REM spánku (obrázek) (Obrázek 1A) .1A). Je zajímavé, že vysokofrekvenční optická stimulace (světelné pulzní vlaky 5 – 30 Hz) snížila latenci k bdělosti, zatímco vlaky 1 Hz ne, což naznačuje frekvenčně závislé synaptické uvolňování neurotransmiteru (glutamátu) a neuromodulátorů, včetně hcrt nebo dynorfinů z terminálů. Dále jsme ukázali, že účinky stimulace neuronů hcrt by mohly být blokovány injekcí antagonisty OX1R nebo genetickou delecí genu hcrt, což naznačuje, že peptidy hcrt zprostředkovávají, alespoň částečně, optogeneticky indukované přechody spánek-brázda. Tyto výsledky ukazují, že uvolňování hcrt z neuronů exprimujících hcrt je nezbytné pro vlastnosti těchto neuronů podporující probuzení. Důležité je, že tyto výsledky ukazují příčinnou souvislost mezi aktivací neuronů hcrt a přechodem ze spánku do bdění, v souladu s předchozími korelačními studiemi. To bylo dále podpořeno skutečností, že optické umlčení neuronů hcrt podporuje SWS (Tsunematsu et al., 2011).

 

Obrázek 1

Optogenetická pitva vzrušujících obvodů mozku. (A) Stimulace neuronů hcrt pomocí ChR2 způsobuje snížení latence spánek-bdění při 10 Hz, ale ne 1 Hz (data od Adamantidis et al., 2007). (B) Stimulace LC neuronů pomocí ChR2 způsobuje okamžité ...

Tyto výsledky nedávno potvrdili Sasaki a spolupracovníci (Sasaki et al., 2011), kteří použili farmakogenetický přístup nazvaný Designer Receptors Exkluzivně Activated by Designer Drugs (DREADDs) k aktivaci a potlačení neurální aktivity hcrt. Technologie DREADD umožňuje bimodální modulaci nervové aktivity s časovým rozlišením několika hodin (Dong et al., 2010). Zjistili, že aktivace neurální aktivity hcrt zvýšila bdělost, zatímco potlačení aktivity hcrt podporovalo SWS.

Ve druhé studii (Carter et al., 2009) jsme prokázali, že hcrt kontrola přechodů mezi spánkem a probuzením je závislá na procesech homeostázy spánku, protože přechody spánek-brázda zprostředkované hcrt jsou blokovány zvýšeným spánkovým tlakem (způsobeným deprivací spánku). Účinek optogenetických stimulací hcrt však přetrvával u myší s knockoutem histamin dekarboxylázy (myší, které nejsou schopny syntetizovat histamin), což naznačuje, že za účinek hcrt je zodpovědný další cíl, na který je histaminergický systém. Nakonec jsme ukázali, že následná centra vzrušení, jako jsou LC neurony, zvýšila svou aktivitu (měřeno expresí c-Fos) v reakci na optogenetickou stimulaci hcrt. Protože předchozí práce ukázala excitační účinek hcrt na LC NE neurony (Bourgin et al., 2000), zkoumali jsme spojení hcrt-LC a naše experimentální výzkumy jsme zaměřili na noradrenergickou LC jako nový cíl pro optogenetickou manipulaci.

Ve třetí studii (Carter et al., 2010) jsme geneticky zaměřili neurony LC-NE stereotaxní injekcí adeno-asociovaného viru Cre rekombinázy závislého (rAAV) na knock-in myši selektivně exprimující Cre v neuronech tyrosinhydroxylázy (TH) (Atasoy et al., 2008; Tsai a kol., 2009). Zjistili jsme, že NpHR i ChR2 jsou funkční a mohou inhibovat a aktivovat LC-NE neurony in vitro a in vivo (Postava (Obrázek 1B) .1B). Zjistili jsme, že optogenetická nízkofrekvenční (1 – 10 Hz) stimulace LC-NE neuronů způsobila okamžité (méně než 5) přechody mezi spánkem a probuzením ze SWS i REM spánku. Stimulace LC neuronů během bdělosti zvýšila lokomotorickou aktivitu a celkový čas strávený vzhůru, což potvrdilo silný vzrušení. Naproti tomu umlčení neuronů LC-NE zprostředkované NpHR zkrátilo trvání epizod probuzení, ale neblokovalo přechody mezi probuzením a probouzením, když zvířata spala. Celkově tato studie ukázala, že aktivace LC-NE neuronů je nezbytná pro udržení normálního trvání bdění (experiment NpHR) a dostatečná k vyvolání okamžitých přechodů ze spánku do bdění, trvalé bdění a zvýšené lokomotorické vzrušení. Navrhli jsme tedy, aby neurony LC-NE fungovaly jako systém rychlého ladění, který podporuje přechody spánku a bdění a celkové vzrušení. Je zajímavé, že jsme zjistili, že trvalá optická aktivace LC-NE neuronů indukuje zastavení lokomotoru (Carter et al., 2010). Takové zástavy chování sdílejí běžné příznaky s kataplexií, katatonií nebo zmrazením chování u zvířecích modelů i u lidských pacientů (Scammell et al., 2009). Možné mechanismy mohou zahrnovat depleci NE z LC-NE synapse terminálů nebo LC-NE nadměrné nadměrné mozkové jádro motoru, které by vedlo k paralýze. K odhalení základních mechanismů je nutná další studie.

V naší poslední studii (Carter et al., 2012), testovali jsme hypotézu, že aktivita LC brání účinkům neuronů hcrt na přechody mezi spánkem. Protože neurální populace hcrt a LC jsou umístěny v odlišných oblastech mozku, je fyzicky možné získat přístup k oběma strukturám současně u stejného zvířete. Proto jsme zvolili duální optogenetický přístup ke stimulaci neuronů hcrt při současné inhibici nebo stimulaci noradrenergních LC neuronů během spánku SWS. Zjistili jsme, že umlčení LC neuronů během stimulace hcrt blokovalo přechody mezi spánkem a bděním zprostředkované hcrt (obrázek (Obr. 1C) .1C). Na rozdíl od toho jsme zjistili, že zvyšování excitability LC neuronů aktivací opsinu s postupnou funkcí (SFO) - což zvyšuje cílové buňky (Berndt et al., 2009) - během stimulace hcrt (pomocí LC stimulačního protokolu, který sám o sobě nezvyšuje přechody ze spánku do bdění) zlepšené hcrtem zprostředkované přechody ze spánku do bdění (obrázek) (Obrázek 1D) .1D). Celkově naše výsledky ukazují, že LC slouží jako nezbytný a dostatečný downstream efektor pro hcrtem zprostředkované přechody SWS-Wake během neaktivní doby.

hcrt a LC-NE dynamika systému

V našich experimentálních studiích jsme pozorovali, že optogenetická manipulace s neurony hcrt a LC-NE ovlivňuje přechody spánku a probuzení s dramaticky odlišnou časovou dynamikou (Adamantidis et al., 2007; Carter a kol., 2009, 2010, 2012). Akutní optická aktivace neuronů hcrt způsobuje přechod ze spánku do bdění po časové období 10 – 30, zatímco stimulace LC neuronů způsobuje přechod ze spánku do bdění za méně než 5. Jedním vysvětlením je, že neurony hcrt mohou působit jako integrátor vzrušení proti proudu během funkcí souvisejících s hypotalamem, zatímco systém LC-NE působí jako primární efektor pro vzrušení, stres a pozornost. Neuronální efektorové systémy jsou však pravděpodobně nadbytečné a aktivované odlišnými sadami vstupů. Proto nemůžeme vyloučit, že blokování jiných systémů vzrušení, jako je centrální histaminergní a cholinergní systém, by také vážně ovlivnilo přechodné stavy chování vyvolané hcrt v jiných experimentálních podmínkách.

Kromě těchto krátkodobých účinků je také zajímavé, že trvalé (tj. Semi-chronické) fotostimulační experimenty ~ 1 – 4 h neuronů hcrt zvýšily přechody ze spánku do bdění, aniž by se změnilo celkové trvání bdění, zatímco dlouhodobé fotostimulace LC-NE neuronů signifikantně prodloužila dobu bdění. Tyto výsledky naznačují, že systém hcrt může regulovat hranice spánek-bdění, zatímco LC-NE neurony mohou spíše řídit dobu bdění, a to zvýšením potenciálu kortikální membrány a desynchronizací kortikální EEG.

Hypotalamická lokalizace neuronů hcrt znamená, že tyto buňky mají během homeostatických procesů významnou vzrušující roli, včetně sexuálního chování, potravy, potravy, stresové reakce a motivace. Kromě kontroly nad bdělostí se systémy vzrušení podílejí také na chování zaměřeném na odměňování, sexuální aktivitě, reakcích letu nebo boje atd. Tato nadbytečnost může mít konsolidovanou funkci vzrušení napříč evolucí a diverzifikované mozkové mechanismy podporující bdělost a chování související se vzrušením přežití. Například aktivace systému LC-NE zvyšuje vzrušení a způsobuje chování podobné úzkosti (Itoi a Sugimoto, 2010). Naproti tomu systém neuropeptidů S (NPS), peptid produkovaný omezenou populací neuronů ventrálně k LC, také zvyšuje vzrušení, ale klesá úzkost (Pape et al., 2010). Aby tedy podporovaly takové rozmanité behaviorální funkce, musely obvody vzrušení dosáhnout vysoké úrovně specifikace, možná prostřednictvím selektivního kompartmentalizace jejich aferentních a efferentních spojení, uvolnění schopností vysílačů / modulátorů a koherentní aktivity s ostatními vzrušujícími obvody.

Perspektivy

V posledních pěti letech kombinace optogenetiky, geneticky upravených modelů myší a EEG / EMG analýzy spánku poskytla jedinečnou a výkonnou sadu nástrojů pro další pochopení příspěvků systémů hcrt a LC k vzrušení a také jiné populace neuronů, které regulují stupně spánku a bdělosti. Cílení optogenetických sond na jiné populace neuronů v mozku určí jejich individuální a kombinované role v hranicích spánku / bdění. Tyto nástroje nám dále umožní určit mozkový mechanismus, který je základem stavů bdění na základě anatomických projekcí, synaptické neurotransmise a dynamiky uvolňování vysílače. Schopnost cílit a selektivně manipulovat s těmito obvody s vysokou časovou přesností (<1 s) dále umožňuje možnost zkoumat jejich roli v širokém spektru chování, jako je příjem potravy, závislost, stres, pozornost a sexuální vzrušení. Tyto studie mohou nakonec odhalit patofyziologické mechanismy psychiatrických poruch, jako je chronická úzkost, závislost, deficit pozornosti a deprese.

Poděkování

Reference