Cableado funcional de las neuronas de hipocretina y LC-NE: implicaciones para la activación (2013)

Resumen

El sueño y la vigilia son dos estados que se excluyen mutuamente y se completan en ciclos con periodos ultradianos y circadianos en todo el reino animal. La vigilia es un estado consciente en el que un animal puede percibir e interactuar con su entorno. Después de un período prolongado de vigilia, la presión del sueño aumenta y conduce al inicio del sueño que se caracteriza como un período de inactividad relativa con una postura estereotipada y un umbral sensorial más alto.

En los mamíferos, el sueño generalmente se divide en sueño de ondas lentas (SWS o sueño NREM en humanos) y sueño de movimientos oculares rápidos (REM) (también llamado "sueño paradójico"). La vigilia, el sueño SWS y el sueño REM son estados de comportamiento distintos que pueden definirse con características electroencefalográficas (EEG) y electromiográficas (EMG) precisas. Durante la estela, predominan oscilaciones de baja frecuencia y frecuencia mixta. SWS se caracteriza por oscilaciones lentas de alta amplitud (0.5 – 4 Hz) cuyo predominio (medido por la densidad de potencia del EEG) refleja la profundidad del sueño. El sueño REM es un estado de comportamiento singular, caracterizado por oscilaciones de frecuencias mixtas más rápidas, entre las cuales predominan las oscilaciones theta (5 – 10 Hz) en roedores, acompañadas de atonía muscular, así como la fluctuación del ritmo cardíaco y la respiración.

Aunque los estados de sueño y vigilia son fáciles de caracterizar cualitativa y cuantitativamente, es sorprendentemente difícil definir qué se entiende por "excitación". El término excitación generalmente se refiere al grado de vigilancia y vigilancia durante la vigilia, que se manifiesta como un aumento de la activación motora, la capacidad de respuesta a entradas sensoriales, reactividad emocional y procesamiento cognitivo mejorado.

Los mecanismos cerebrales que subyacen a la organización del ciclo sueño-vigilia y el nivel general de activación siguen sin estar claros, y muchos estudios clásicos han identificado varias poblaciones de neuronas cuya actividad se relaciona con distintos estados de comportamiento. Originalmente se asumió que las neuronas que están activas antes de las transiciones de comportamiento (es decir, las neuronas activas que preceden a una transición de sueño a vigilia) promover el estado venidero, mientras que las neuronas que están activas durante un estado específico (vigilia o sueño) son importantes para mantener eso. Esta visión se complica aún más al comprender que las neuronas en una red pueden mostrar actividad asociada a los límites de estado debido a la conectividad con otras neuronas más causales sin ser directamente responsables de las transiciones de estado. Sin embargo, generalmente se ha inferido que hay poblaciones neuronales que desempeñan un papel causal en los estados de sueño y / o excitación. Las poblaciones que se cree que promueven la excitación incluyen: la hipocretina (hcrt, también llamada "orexinas"), que expresa neuronas en el hipotálamo lateral, el locer coeruleus noradrenérgico (CL), que expresa neuronas en el tronco del encéfalo, los núcleos serotoninérgicos del réplica dorsal (DRN) en el tronco cerebral, el núcleo histaminérgico tuberomamilarino (TMN) en el hipotálamo posterior, el pedunculopontino colinérgico (PPT) y los núcleos tegmentales laterodorsales (LDT) en el cerebro medio, así como las neuronas colinérgicas en el cerebro basal (Jones, 2003). En contraste, las neuronas inhibitorias de las estructuras hipotalámicas anteriores están activas durante el SWS, mientras que las neuronas de la Hormona Concentradora de Melanina (MCH) del hipotálamo lateral, así como las neuronas glutamatérgicas y GABAérgicas del tronco cerebral están activas durante el sueño REM (Fort et al., 2009).

En los últimos años, nosotros y otros hemos comenzado a utilizar la tecnología optogenética con varios modelos de mouse para abordar preguntas como: ¿Cómo regulan los sistemas de excitación la vigilia y la excitación?? ¿Cómo interactúan funcionalmente para promover, mantener o ampliar la excitación en contextos específicos?? En nuestros estudios recientes, hemos estado particularmente interesados ​​en las neuronas que expresan hcrt (de Lecea et al., 1998; Sakurai y otros, 1998). Los hcrt son dos péptidos neuro-excitatorios (de Lecea et al., 1998; Sakurai y otros, 1998) producido en ~ 3200 neuronas en el hipotálamo lateral del ratón (~ 6700 y 50,000-80,000 en la rata y el cerebro humano, respectivamente) (de Lecea y Sutcliffe, 2005; Modirroja et al., 2005). Estas neuronas reciben entradas funcionales de múltiples sistemas distribuidos en la corteza, el sistema límbico, las áreas subcorticales que incluyen el propio hipotálamo, el tálamo y las proyecciones ascendentes de los núcleos colinérgicos del tronco del encéfalo, la formación reticular, los núcleos de Rafe del cerebro medio y el gris periacueductal. A su vez, estas neuronas se proyectan a lo largo del sistema nervioso central, incluso a los centros de activación y recompensa del cerebro, a las neuronas que expresan los receptores hcrt (OX1R y OX2R). Las proyecciones aferentes y eferentes de las neuronas hcrt sugieren que desempeñan un papel en múltiples funciones hipotalámicas, incluida la regulación del ciclo de sueño / vigilia y los comportamientos orientados a objetivos. Curiosamente, hemos encontrado que una proyección eferente específica de las neuronas hcrt a las neuronas LC adrenérgicas media las transiciones de sueño a vigilia y posiblemente aspectos más generales de la excitación.

Aquí, resumimos los experimentos optogenéticos recientes que prueban la hipótesis de que las neuronas hcrt y LC causan transiciones de estado de activación y mantenimiento (Adamantidis et al., 2007; Carter et al. 2009, 2010, 2012). Primero, destacamos brevemente y resumimos informes anteriores sobre estos sistemas utilizando técnicas genéticas y farmacológicas tradicionales. A continuación, integramos nuestros propios hallazgos utilizando sondas optogenéticas para estimular o inhibir selectivamente estos sistemas en ratones que se mueven libremente. Finalmente, discutimos preguntas no resueltas y especulamos sobre futuras disecciones anatómicas y funcionales de los circuitos de activación.

Hipocretinas, vigilia y narcolepsia.

las neuronas hcrt son generalmente silenciosas durante la vigilia tranquila, SWS y sueño REM, pero muestran altas tasas de descarga durante la vigilia activa y las transiciones REM de sueño a vigilia (Lee et al., 2005; Mileykovskiy et al. 2005; Takahashi et al. 2008; Hassani et al. 2009). Además, muestran altas tasas de descarga durante la excitación provocada por estímulos ambientales (por ejemplo, un estímulo auditivo) (Takahashi et al., 2008) y el comportamiento orientado a objetivos (Mileykovskiy et al., 2005; Takahashi et al. 2008). Estos estudios sugieren que las neuronas hcrt participan en las transiciones de sueño a vigilia, así como en el aumento del estado de alerta observado durante varios comportamientos orientados a objetivos.

El bloqueo o supresión de la señalización de hcrt demuestra la necesidad de hcrt para la integridad de los estados de comportamiento en ratones, ratas, perros, humanos y posiblemente peces cebra (Sakurai, 2007; Yokogawa et al. 2007). De hecho, la evidencia más convincente de pérdida de función proviene del vínculo entre la deficiencia de Hcrt y los síntomas de narcolepsia (Peyron et al., 2000; Saper et al. 2010). Los pacientes narcolépticos con cataplexia tienen una ausencia completa de hcrt transcripciones de genes en el hipotálamo, así como niveles no detectables o apenas detectables de hcrt en el líquido cefalorraquídeo (Thannickal et al., 2000; Sakurai, 2007; Yokogawa et al. 2007). Los perros narcolépticos doberman tienen una mutación en OX2R, y todos los roedores genéticamente modificados con una eliminación de hcrt, OX2R, o las células hcrt presentan arrestos de comportamiento que se asemejan a la cataplexia, el sello de la narcolepsia (Jones, 2003; Sakurai, 2007; Sehgal y Mignot, 2011). Es importante destacar que el rescate genético de hcrt la expresión génica alivió los síntomas de narcolepsia en ratones (Liu et al., 2011; Blanco-Centurion et al. 2013).

La infusión intracerebroventricular (icv) de péptidos hcrt o agonistas hcrt causa un aumento en el tiempo pasado despierto y una disminución en el sueño SWS y REM [revisión en Sakurai (2007)]. La inyección estereotáctica del péptido en la CL, LDT, cerebro anterior basal o hipotálamo lateral incrementó la vigilia y la actividad locomotora a menudo asociada con una reducción marcada en el sueño SWS y REM (Hagan et al., 1999). Más recientemente, la desinhibición genética de las neuronas hcrt utilizando una eliminación selectiva del gen del receptor GABA-B solo en las neuronas hcrt indujo una fragmentación grave de los estados de sueño / vigilia durante los períodos de luz y oscuridad sin mostrar una anomalía en las duraciones o signos totales de sueño / vigilia de cataplexia (Matsuki et al., 2009). En conjunto, estos datos sugieren que los péptidos hcrt son importantes para definir los límites entre los estados de sueño y vigilia, como lo demuestra la fragmentación del sueño y la vigilia en modelos animales de narcolepsia.

Aunque está ampliamente documentado que la función biológica de los péptidos hcrt es necesaria para mantener la vigilia y el sueño adecuados, no está claro cuál de los dos receptores hcrt, OX1R u OX2R, es biológicamente responsable de los efectos de hcrt sobre la excitación y la estabilidad del sueño. y control del tono muscular. OX1R El ARNm se expresa en muchas áreas del cerebro, en particular el LC, los núcleos de Raphe, LDT, mientras que OX2R El ARNm muestra un patrón complementario de expresión en la corteza cerebral, los núcleos de rafe, así como el hipotálamo dorsomedial y posterior (en el núcleo tuberomamilar) (Trivedi et al., 1998; Marcus et al. 2001; Mieda et al. 2011). Por lo tanto, se ha propuesto que el control de la vigilia y el NREM de sueño a vigilia depende fundamentalmente de OX2R (Mochizuki et al., 2011) mientras que la desregulación del sueño REM (exclusivo de la narcolepsia-cataplexia) resulta de la pérdida de señalización a través de OX1R y OX2R (Mieda et al., 2011). Sin embargo, sus implicaciones en la regulación de la narcolepsia, en particular la cataplejía y el ataque del sueño, siguen sin estar claras. Los perros con narcolepsia hereditaria tienen una mutación nula en el OX2R gen (Lin et al., 1999) y el modelo de ratón correspondiente, el OX2R Los ratones KO muestran síntomas menos graves que los perros (Willie et al., 2003). Aunque OX1R participa en la regulación de la excitación (Mieda et al., 2011), su contribución a los síntomas de la narcolepsia aún está por caracterizarse.

Es importante destacar que la actividad en otros sistemas de activación se ve fuertemente perturbada durante la cataplexia. Las neuronas LC cesan la descarga (Gulyani et al., 1999) y las neuronas serotoninérgicas disminuyen significativamente su actividad (Wu, 2004), mientras que las células ubicadas en la amígdala (Gulyani et al., 2002) y la TMN mostró un mayor nivel de disparo (John et al., 2004). Esta asociación sugiere que tanto OX1R (LC, raphe) como OX2R (TMN, raphe) están involucrados en el mantenimiento del tono muscular adecuado. Estudios recientes también destacaron el papel de los sistemas colinérgicos alterados en la activación de la cataplejía en ratones narcolépticos (Kalogiannis et al., 2011, 2010). Por lo tanto, un objetivo importante y no resuelto es identificar el cableado funcional de las neuronas hcrt, así como la dinámica de la liberación sináptica de los terminales hcrt para delinear con precisión las proyecciones posteriores (de Lecea et al., 2012) que controlan la excitación, los estados de sueño, el tono muscular y los comportamientos orientados a objetivos.

El locus coeruleus, norepinefrina y la excitación

El LC está adyacente al 4^th ventrículo en el tronco del encéfalo y contiene neuronas que sintetizan la monoamina norepinefrina (NE). Aunque otras cuatro poblaciones de células también producen NE (los grupos de células A1, A2, A5 y A7), la LC produce ~ 50% del total de NE del cerebro y es la única fuente de la corteza. Hay muchos receptores de NE funcionales ubicados en todo el cerebro; los receptores α1 y β generalmente causan potenciales postsinápticos excitadores y los receptores α2 generalmente causan potenciales postsinápticos inhibidores. Los receptores α2 se encuentran densamente en las neuronas LC (Berridge y Waterhouse, 2003) ellos mismos y sirven como autoreceptores inhibitorios para suprimir la actividad intrínseca.

Las grabaciones en animales de comportamiento despierto muestran que las neuronas LC disparan de forma tónica a 1-3 Hz durante el estado de vigilia, disparan menos durante el sueño SWS y permanecen prácticamente en silencio durante el sueño REM (Aston-Jones y Bloom, 1981; Jones 2003; Saper et al. 2010). El LC también dispara de forma fásica en ráfagas cortas de 8 – 10 Hz durante la presentación de estímulos salientes que pueden aumentar la duración de la estela. Al igual que las neuronas hcrt, las alteraciones en la tasa de descarga preceden a los cambios en las transiciones de sueño a vigilia (Aston-Jones y Bloom, 1981), lo que sugiere que estas células son importantes para las transiciones a la vigilia o atención.

Curiosamente, las lesiones físicas de la LC no provocan cambios constantes en el EEG cortical o los índices de comportamiento de la excitación (Lidbrink, 1974; Blanco-Centurion et al. 2007). La ablación genética de la dopamina beta-hidroxilasa, una enzima requerida para la síntesis de NE, tampoco interrumpe los estados de sueño-vigilia (Hunsley et al., 2006). Esto sugiere la presencia de circuitos neurales redundantes, externos a la estructura de LC, que apoyan la actividad cortical y los mecanismos de desarrollo compensatorios, respectivamente. Sin embargo, las inyecciones centrales de antagonistas farmacológicos de los receptores α1 y β noradrenérgicos (Berridge y España, 2000) o agonistas de los autorreceptores α2 inhibidores (De Sarro et al., 1987) tienen efectos sedantes sustanciales. La administración central de NE directamente en los ventrículos o cerebro anterior promueve la vigilia (Segal y Mandell, 1970; Flicker y Geyer, 1982). La estimulación de las neuronas en la LC usando microinyecciones locales de un agonista colinérgico (betanecol) produce una rápida activación del EEG del cerebro anterior en ratas anestesiadas con halotano (Berridge y Foote, 1991). Recientemente, se demostró que el sistema LC-NE es crítico para mantener el potencial de membrana aumentado de las neuronas corticales en estado de vigilia en comparación con los estados de sueño (Constantinopla y Bruno, 2011). En conjunto, estos estudios implican que el sistema LC-NE desincroniza la actividad cortical y aumenta el potencial de la membrana cortical para aumentar la activación.

Disección optogenética de hcrt y control de excitación LC-NE

La actividad de las neuronas hcrt y LC-NE se correlaciona con las transiciones de sueño a vigilia, sin embargo, ha sido difícil estimular o inhibir selectivamente las poblaciones específicas de hcrt y LC-NE con una resolución temporal relevante para los episodios de sueño o vigilia, y lograr selectividad espacial para sondear esas células sin afectar las células circundantes o las fibras de paso. En un esfuerzo por comprender mejor la dinámica temporal de los circuitos neuronales de vigilia, recientemente aplicamos la optogenética para manipular de manera reversible y selectiva la actividad de las neuronas hcrt y LC en animales que se mueven libremente (Adamantidis et al., 2007; Carter et al. 2009, 2010, 2012). Optogenetics utiliza moléculas de opsina activadoras (p. Ej., Canalrodopsina-2 (ChR2) o halorodopsina-NpHR) para activar o silenciar selectivamente las células dirigidas genéticamente, respectivamente, con destellos de luz en una longitud de onda específica 2005). Se puede encontrar más información sobre la tecnología optogenética en muchas otras reseñas excelentes (Zhang et al., 2006; Miesenbock, 2009; Scanziani y Häusser, 2009; Yizhar et al. 2011; Deisseroth, 2012).

Para administrar estos actuadores a neuronas hcrt o LC, utilizamos herramientas de administración de genes adenoasociados lentivirales y cre-dependientes (AAV), respectivamente, bajo el control de promotores específicos de tipo celular (Adamantidis et al., 2007). Para suministrar luz al campo hcrt o LC, diseñamos interfaces ópticas-neuronales en las cuales las fibras ópticas se implantaron crónicamente en el cráneo del ratón, como se describe en otro lugar (Adamantidis et al., 2005, 2007; Aravanis et al. 2007; Zhang et al. 2010). Usando esta estrategia, pudimos controlar la actividad neural del hcrt tanto in vitro y in vivo con estimulación óptica de milisegundos de precisión (Adamantidis et al., 2007). La alta precisión temporal y espacial de la estimulación nos permitió imitar el rango fisiológico de las tasas de descarga de neuronas de hipocretina (1 – 30 Hz) (Hassani et al., 2009). De hecho, utilizamos trenes de pulsos de luz para nuestra estimulación optogenética que se basaron en parámetros en el análisis de frecuencia real de las neuronas hcrt in vivo (Esto también es válido para el control optogenético de las neuronas LC-NE que se describe a continuación). Encontramos que la estimulación óptica unilateral directa de las neuronas hcrt aumentó la probabilidad de transiciones a la vigilia desde SWS o sueño REM (Figura 1). (Figura 1A) .1A). Curiosamente, la estimulación óptica de alta frecuencia (trenes de pulsos de luz 5-30 Hz) redujo la latencia a la vigilia, mientras que los trenes de 1 Hz no lo hicieron, lo que sugiere una liberación sináptica del neurotransmisor (glutamato) dependiente de la frecuencia y neuromoduladores, incluyendo hcrt o dinorfina de los terminales. Además, demostramos que los efectos de la estimulación de las neuronas hcrt podrían bloquearse mediante la inyección de un antagonista OX1R o por la eliminación genética del gen hcrt, lo que sugiere que los péptidos hcrt median, al menos en parte, las transiciones de sueño a velatorio inducidas de forma optogenética. Estos resultados muestran que la liberación de hcrt de las neuronas que expresan hcrt es necesaria para las propiedades que promueven la estela de estas neuronas. Es importante destacar que estos resultados demuestran un vínculo causal entre la activación de las neuronas hcrt y las transiciones entre el sueño y la vigilia, en consonancia con estudios correlativos anteriores. Esto se vio respaldado por el hecho de que el silenciamiento óptico de las neuronas hcrt promueve el SWS (Tsunematsu et al., 2011).

 

Figura 1 y XNUMX

Disección optogenética de los circuitos de activación del cerebro. (UNA) La estimulación de las neuronas hcrt con ChR2 causa una disminución en la latencia de sueño a vigilia a 10 Hz pero no a 1 Hz (datos de Adamantidis et al., 2007). (B) La estimulación de las neuronas LC con ChR2 causa inmediata ...

Estos resultados fueron confirmados recientemente por Sasaki y sus colaboradores (Sasaki et al., 2011), que usó un enfoque farmacogenético llamado Receptores de diseñador activados exclusivamente por medicamentos de diseño (DREADD) para activar y suprimir la actividad neuronal del cerebro. La tecnología DREADD permite la modulación bimodal de la actividad neuronal con resolución temporal de varias horas (Dong et al., 2010). Encontraron que la activación de la actividad neural del hcrt aumentaba la vigilia mientras que la supresión de la actividad del hcrt promovía el SWS.

En un segundo estudio (Carter et al., 2009), demostramos que el control de hcrt de las transiciones de sueño-vigilia depende de los procesos de homeostasis del sueño, ya que las transiciones de sueño a vigilia mediadas por hcrt están bloqueadas por el aumento de la presión del sueño (causada por la falta de sueño). Sin embargo, el efecto de las estimulaciones optogenéticas de hcrt persistió en los ratones knockout para la histamina descarboxilasa (ratones que no pueden sintetizar histamina), lo que sugiere que otro objetivo es que el sistema histaminérgico es responsable del efecto del hcrt. Finalmente, demostramos que los centros de activación corriente abajo, como las neuronas LC, aumentaron su actividad (medida por la expresión de c-Fos) en respuesta a la estimulación optogenética hcrt. Debido a que el trabajo anterior mostró un efecto excitador de hcrt en las neuronas LC NE (Bourgin et al., 2000), investigamos la conexión hcrt-LC y centramos nuestras investigaciones experimentales en la LC noradrenérgica como un nuevo objetivo para la manipulación optogenética.

En un tercer estudio (Carter et al., 2010), dirigimos genéticamente las neuronas LC-NE mediante la inyección estereotáxica de un virus adenoasociado de recombinasa Cre (rAAV) en ratones knock-in que expresan de forma selectiva Cre en las neuronas de tirosina hidroxilasa (TH) (Atasoy et al., 2008; Tsai et al. 2009). Encontramos que tanto NpHR como ChR2 eran funcionales y podían inhibir y activar, respectivamente, las neuronas LC-NE. in vitro y in vivo (Figura (Figura 1B) .1B). Encontramos que la estimulación optogenética de baja frecuencia (1 – 10 Hz) de las neuronas LC-NE causó transiciones de sueño a vigilia inmediatas (menos que las de 5 s) tanto del sueño SWS como del sueño REM. La estimulación de las neuronas LC durante la vigilia incrementó la actividad locomotora y el tiempo total que pasó despierto, confirmando el fuerte efecto de activación. En contraste, el silenciamiento mediado por NpHR de las neuronas LC-NE disminuyó la duración de los episodios de vigilia pero no bloqueó las transiciones de sueño a vigilia cuando los animales estaban dormidos. Tomados en conjunto, este estudio mostró que la activación de las neuronas LC-NE es necesaria para mantener la duración normal de la vigilia (experimento NpHR), y suficiente para inducir transiciones inmediatas entre el sueño y la vigilia, la vigilia prolongada y el aumento de la excitación locomotora. Por lo tanto, propusimos que las neuronas LC-NE actúen como un sistema de sintonización rápida para promover las transiciones de sueño a vigilia y la activación general. Curiosamente, encontramos que la activación óptica sostenida de las neuronas LC-NE induce el paro locomotor (Carter et al., 2010). Tales arrestos de comportamiento comparten síntomas comunes con cataplexia, catatonia o congelamiento de comportamiento tanto en modelos animales como en pacientes humanos (Scammell et al., 2009). Los posibles mecanismos pueden implicar el agotamiento de la NE de los terminales de sinapsis LC-NE o la sobreexcitación de los núcleos motores del tronco encefálico que conduciría a la parálisis. Se requieren estudios adicionales para desentrañar los mecanismos subyacentes.

En nuestro estudio más reciente (Carter et al., 2012), probamos la hipótesis de que la actividad de LC controla los efectos de la neurona hcrt en las transiciones de sueño a vigilia. Debido a que las poblaciones neuronales de hcrt y LC están ubicadas en distintas regiones del cerebro, es físicamente posible acceder a ambas estructuras simultáneamente en el mismo animal. Por lo tanto, adoptamos un enfoque optogenético dual para estimular las neuronas hcrt mientras inhibíamos o estimulamos concomitantemente las neuronas LC noradrenérgicas durante el sueño SWS. Encontramos que silenciar las neuronas de LC durante la estimulación de hcrt bloqueaba las transiciones de sueño a vigilia mediadas por hcrt (Figura (Figura 1C) .1C). Por el contrario, encontramos que el aumento de la excitabilidad de las neuronas LC a través de la activación de opsina de función escalonada (SFO), que aumenta el número de células diana (Berndt et al., 2009): Durante la estimulación hcrt (utilizando un protocolo de estimulación LC que por sí solo no aumenta las transiciones entre el sueño y la vigilia) las transiciones mejoradas mediadas por el hcrt mediadas (figura (Figura 1D) .1D). Tomados en conjunto, nuestros resultados muestran que el LC sirve como un efector aguas abajo necesario y suficiente para las transiciones SWS a vigilia mediadas por hcrt durante el período inactivo.

Dinámica del sistema hcrt y LC-NE.

A través de nuestros estudios experimentales, observamos que la manipulación optogenética de las neuronas hcrt y LC-NE afecta las transiciones del sueño al despertar con dinámicas temporales dramáticamente diferentes (Adamantidis et al., 2007; Carter et al. 2009, 2010, 2012). La activación óptica aguda de las neuronas hcrt provoca transiciones entre el sueño y la vigilia durante un período de tiempo de 10-30, mientras que la estimulación de las neuronas LC causa transiciones entre el sueño y la vigilia en menos de 5. Una explicación es que las neuronas hcrt pueden actuar como un integrador ascendente de la activación durante las funciones relacionadas con el hipotálamo, mientras que el sistema LC-NE actúa como un efector primario para la activación, el estrés y la atención. Sin embargo, los sistemas de efector neuronal probablemente son redundantes y se activan mediante distintos conjuntos de entradas. Por lo tanto, no podemos descartar que el bloqueo de otros sistemas de activación, como los sistemas histaminérgicos y colinérgicos centrales, también afectaría gravemente las transiciones del estado de comportamiento inducidas por hcrt en otras condiciones experimentales.

Además de estos efectos a corto plazo, también es interesante que los experimentos de fotoestimulación sostenida (es decir, semi-crónica) de ~ 1-4 h de neuronas hcrt aumentaron las transiciones de sueño a vigilia sin cambiar la duración total de la vigilia, mientras que a largo plazo La fotoestimulación de las neuronas LC-NE aumentó significativamente la duración de la vigilia. Estos resultados sugieren que el sistema hcrt puede regular los límites del sueño y la vigilia, mientras que las neuronas LC-NE pueden controlar la duración de la estela aumentando el potencial de la membrana cortical y desincronizando el EEG cortical.

La localización hipotalámica de las neuronas hcrt implica que estas células tienen un papel de activación prominente durante los procesos homeostáticos, incluidos el comportamiento sexual, la alimentación de alimentos, la respuesta al estrés y la motivación. Además de su control de la vigilia, los sistemas de excitación también participan en el comportamiento de búsqueda de recompensa, la actividad sexual, las respuestas de huida o lucha, etc. Esta redundancia puede haber consolidado la función de excitación a través de la evolución y los mecanismos cerebrales diversificados que respaldan las conductas relacionadas con la vigilia y la excitación necesarias para supervivencia. Por ejemplo, la activación del sistema LC-NE aumenta la excitación y causa comportamientos similares a la ansiedad (Itoi y Sugimoto, 2010). En contraste, el sistema del neuropéptido S (NPS), un péptido producido por una población neuronal restringida ventral a la LC, también aumenta la activación pero disminuye ansiedad (Pape et al., 2010). Por lo tanto, para soportar funciones de comportamiento tan diversas, los circuitos de activación deben haber alcanzado un alto nivel de especificación, posiblemente mediante una compartimentación selectiva de sus conexiones aferentes y eferentes, transmisores / moduladores que liberan capacidades y una actividad coherente con otros circuitos de activación.

Perspectivas

En los últimos cinco años, la combinación de optogenética, modelos de ratón modificados genéticamente y análisis EEG / EMG del sueño ha proporcionado un conjunto único y poderoso de herramientas para comprender mejor las contribuciones de los sistemas hcrt y LC a la excitación, así como otras poblaciones de neuronas que regulan los grados de sueño y vigilia. Dirigir sondas optogenéticas a otras poblaciones de neuronas en el cerebro determinará sus roles individuales y combinados en los límites del sueño / vigilia. Además, estas herramientas nos permitirán determinar el mecanismo cerebral subyacente a los estados de vigilia basados ​​en proyecciones anatómicas, neurotransmisión sináptica y dinámica de liberación del transmisor. La capacidad de apuntar y manipular selectivamente estos circuitos con alta precisión temporal (<1 s) permite además la posibilidad de investigar su papel en un amplio espectro de comportamientos como la ingesta de alimentos, la adicción, el estrés, la atención y la excitación sexual. En última instancia, estos estudios pueden desentrañar los mecanismos fisiopatológicos de los trastornos psiquiátricos como la ansiedad crónica, la adicción, el déficit de atención y la depresión.

AGRADECIMIENTOS

Referencias