Uèiridh obrachail hypocretin agus neurons LC-NE: buaidh air aralal (2013)

Abstract

Tha cadal agus dùsgadh dà stàit às a chèile a bhios a ’rothaireachd le amannan ultradian agus circadian air feadh rìoghachd nam beathaichean. Tha Wakefulness na staid mothachail anns am faod beathach mothachadh agus eadar-obrachadh leis an àrainneachd aige. Às deidh ùine fhada de dhùsgadh, bidh cuideam cadail a ’meudachadh agus a’ leantainn gu toiseach cadail a tha air a chomharrachadh mar ùine de neo-ghnìomhachd coimeasach le postachd stereotyped agus stairsneach mothachaidh nas àirde.

Ann am mamalan, mar as trice tha cadal air a roinn ann an cadal tonn slaodach (SWS, no cadal NREM ann an daoine), agus cadal gluasad sùla luath (REM) (ris an canar cuideachd “cadal paradoxical”). Tha Wakefulness, SWS agus cadal REM nan stàitean giùlan sònraichte a dh ’fhaodar a mhìneachadh le feartan electroencephalographic (EEG) agus electromyographic (EMG). Rè caithris, is e oscilidhean tricead ìosal, tricead measgaichte as motha. Tha SWS air a chomharrachadh le oscilidhean slaodach àrd-leud (0.5 - 4 Hz) aig a bheil an ceannas (mar a tha air a thomhas le dùmhlachd cumhachd EEG) a ’nochdadh doimhneachd cadail. Tha cadal REM na staid giùlan singilte, air a chomharrachadh le oscilidhean tricead measgaichte nas luaithe, am measg sin tha oscilidhean theta (5 - 10 Hz) a ’faighinn làmh an uachdair ann an creimich, còmhla ri atonia fèithe, a bharrachd air atharrachadh sa chridhe agus ìrean anail.

Ged a tha stàitean cadail agus caithris furasta an comharrachadh gu càileachdail agus gu cainnteach, tha e iongantach duilich mìneachadh dè a th ’ann an“ arousal. ”Mar as trice tha am facal arousal a’ toirt iomradh air an ìre de dh ’fhaire agus de mhothachadh rè dùsgadh, a’ nochdadh mar barrachd gnìomhachd motair, freagairteachd. gu cuir a-steach mothachaidh, ath-bheòthachadh tòcail, agus giollachd inntinneil leasaichte.

Tha na h-innleachdan eanchainn a tha mar bhunait air eagrachadh a ’chearcall caith-cadail agus ìre coitcheann de arousal fhathast mì-shoilleir agus tha mòran sgrùdaidhean clasaigeach air grunn àireamhan de neurons a chomharrachadh aig a bheil gnìomhachd a’ buntainn ri stàitean giùlain sònraichte. Chaidh gabhail ris an toiseach gu bheil neurons a tha gnìomhach ro eadar-ghluasad giùlain (ie, neurons gnìomhach ro eadar-ghluasad cadail-gu-dùsgadh) adhartachadh an stàit a tha a ’tighinn, fhad‘ s a tha neurons a tha gnìomhach rè stàite sònraichte (dùsgadh no cadal) cudromach cumail suas e. Tha am beachd seo air a dhèanamh nas toinnte leis an tuigse gum faodadh neurons ann an lìonra gnìomhachd co-cheangailte ri crìochan stàite a nochdadh air sgàth ceangal ri neurons adhbharach eile gun a bhith an urra riutha fhèin gu dìreach airson eadar-ghluasadan stàite. Ach a dh ’aindeoin sin, chaidh a cho-dhùnadh gu h-àbhaisteach gu bheil àireamhan neòil ann aig a bheil pàirt adhbharach ann an stàitean cadail agus / no arousal. Am measg nan àireamhan a thathas a ’smaoineachadh a bhrosnaicheas arousal tha: an hypocretin (hcrt - ris an canar cuideachd“ orexins ”) - a’ cur an cèill neurons anns an hypothalamus lateral, an noradrenergic locus coeruleus (LC) - a ’brùthadh neurons san t-siostam eanchainn, na nuclei raphe dorsal serotoninergic (DRN) anns an t-siostam eanchainn, an niuclas tuberomammilary histaminergic (TMN) anns an hypothalamus posterior, an pedunculopontine cholinergic (PPT) agus nuclei tegmental cholinergic (LDT) anns a ’mheanbh-chuileag, a bharrachd air neurons cholinergic anns a’ chrann basal (Jones, 2003). An coimeas ri sin, tha neurons inhibitory bho structaran hypothalamic anterior gnìomhach rè SWS, fhad ‘s a tha neurons Melanin-Concentrating Hormone (MCH) bhon hypothalamus lateral, a bharrachd air neurons glutamatergic agus GABAergic bhon t-siostam eanchainn gnìomhach rè cadal REM (Fort et al., 2009).

Anns na beagan bhliadhnaichean a dh ’fhalbh, tha sinn agus feadhainn eile air tòiseachadh a’ cleachdadh teicneòlas optogenetic le diofar mhodalan luchag gus dèiligeadh ri ceistean leithid Ciamar a bhios siostaman arousal a ’riaghladh dùsgadh agus dùsgadh? Mar a bhios iad ag eadar-obrachadh gu gnìomhach gus brosnachadh, cumail suas no leudachadh arousal ann an co-theacsan sònraichte? Anns na sgrùdaidhean o chionn ghoirid againn, tha ùidh shònraichte air a bhith againn ann an neurons a tha a ’cur an cèill hcrt (de Lecea et al., 1998;; Sakurai et al.,. 1998). Tha an hcrt nan dà pheptidean neuro-excitatory (de Lecea et al., 1998;; Sakurai et al.,. 1998) air a thoirt a-mach ann an ~ 3200 neurons ann an hypothalamus lateral na luchaige (~ 6700 agus 50,000 - 80,000 anns an radan agus eanchainn daonna, fa leth) (de Lecea agus Sutcliffe, 2005; Modirrousta et al., 2005). Bidh na neurons sin a ’faighinn a-steach gnìomh bho ioma-shiostaman air an sgaoileadh anns an cortex, siostam limbic, raointean fo-cortical a’ toirt a-steach an hypothalamus fhèin, thalamus, agus ro-mheasaidhean dìreadh bho niuclas cholinergic an brainstem, an cruthachadh reticular, na nuclei raphe midbrain, agus an liath periaqueductal. Aig an aon àm, bidh na neurons sin a ’pròiseict air feadh an t-siostam nearbhach meadhanach, a’ toirt a-steach ionadan togail agus duais na h-eanchainn, gu neurons a tha a ’cur an cèill gabhadairean hcrt (OX1R agus OX2R). Tha na ro-mheasaidhean adhartach agus èifeachdach de neurons hcrt a ’moladh gu bheil pàirt aca ann an grunn dhleastanasan hypothalamic a’ toirt a-steach a bhith a ’riaghladh a’ chearcall cadail / caithris agus giùlan cuimsichte air amasan. Gu h-inntinneach, tha sinn air faighinn a-mach gu bheil ro-mheasadh èifeachdach sònraichte bho hcrt neurons gu neurons LC noradrenergic a ’dèanamh eadar-ghluasadan cadail-gu-dùsgadh agus is dòcha taobhan nas fharsainge de arousal.

An seo, tha sinn a ’toirt geàrr-chunntas air deuchainnean optogenetic o chionn ghoirid a bhios a’ dèanamh deuchainn air a ’bheachd gu bheil hcrt agus LC neurons ag adhbhrachadh eadar-ghluasadan stàite agus cumail suas (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). An toiseach, bidh sinn a ’toirt geàrr-chunntas air agus a’ toirt geàrr-chunntas air aithisgean roimhe mu na siostaman sin a ’cleachdadh dòighean ginteil agus cungaidh-leigheis traidiseanta. An ath rud, bidh sinn a ’toirt a-steach na co-dhùnaidhean againn fhìn a’ cleachdadh probes optogenetic gus na siostaman sin a bhrosnachadh no a bhacadh ann an luchagan a tha a ’gluasad gu saor. Mu dheireadh, bruidhnidh sinn air ceistean gun fhuasgladh agus beachdachadh air eas-aontaidhean anatomical agus obrachail san àm ri teachd de chuairtean arousal.

Hypocretins, dùsgadh, agus narcolepsy

tha neurons hcrt mar as trice sàmhach rè dùsgadh sàmhach, SWS, agus cadal REM ach tha iad a ’nochdadh ìrean sgaoilidh àrd rè gluasadan gnìomhach agus eadar-ghluasad cadail-gu-dùsgadh REM (Lee et al., 2005; Mileykovskiy et al., 2005; Takahashi et al., 2008; Hassani et al.,. 2009). A bharrachd air an sin, tha iad a ’nochdadh ìrean sgaoilidh àrd rè arousal air am brosnachadh le brosnachaidhean àrainneachd (me, brosnachadh sgrùdaidh) (Takahashi et al., 2008) agus giùlan cuimsichte air amasan (Mileykovskiy et al., 2005; Takahashi et al., 2008). Tha na sgrùdaidhean sin a ’moladh gum bi neurons hcrt a’ gabhail pàirt ann an eadar-ghluasadan cadail gu dùsgadh, a bharrachd air anns an rabhadh nas motha a thathas a ’faicinn aig diofar ghiùlanan a tha ag amas air amasan.

Tha bacadh no cuir às do chomharran hcrt a ’sealltainn cho riatanach sa tha hcrt airson ionracas stàitean giùlain ann an luchagan, radain, coin, daoine, agus is dòcha zebrafishes (Sakurai, 2007; Yokogawa et al., 2007). Gu dearbh, tha an fhianais call-gnìomh as cumhachdaiche a ’tighinn bhon cheangal eadar easbhaidh hcrt agus comharran narcolepsy (Peyron et al., 2000; Saper et al., 2010). Tha euslaintich narcoleptic le cataplexy gu tur às aonais hcrt ath-sgrìobhaidhean gine anns an hypothalamus a bharrachd air ìrean hcrt nach eil furasta aithneachadh no anns an t-sruthan cerebrospinal (Thannickal et al., 2000; Sakurai, 2007; Yokogawa et al., 2007). Bidh coin Doberman narcoleptic a ’giùlan mùthadh a-steach OX2R, agus a h-uile creimire einnseanaireachd ginteil le cuir às hcrt, OX2R, no ceallan hcrt a ’toirt an grèim giùlain a tha coltach ri cataplexy, comharra narcolepsy (Jones, 2003; Sakurai, 2007; Sehgal agus Mignot, 2011). Gu cudromach, teasairginn ginteil de hcrt lughdaich abairt gine comharraidhean narcolepsy ann an luchagan (Liu et al., 2011; Blanco-Centurion et al., 2013).

Tha dòrtadh intracerebroventricular (icv) de peptidean hcrt no agonists hcrt ag adhbhrachadh àrdachadh san ùine a thathar a ’caitheamh na dhùisg agus lùghdachadh ann an cadal SWS agus REM [lèirmheas ann an Sakurai (2007)]. Le bhith a ’stealladh stereotactic den pheptide anns an LC, LDT, forebrain basal, no an hypothalamus lateral àrdachadh dùsgadh agus gnìomhachd locomotor gu tric co-cheangailte ri lùghdachadh mòr ann an cadal SWS agus REM (Hagan et al., 1999). O chionn ghoirid, dh ’adhbhraich casg ginteil neurons hcrt a’ cleachdadh cuir às do ghine receptor GABA-B roghnach a-mhàin ann an hcrt neurons a ’toirt a-steach briseadh mòr de stàitean cadail / dùsgadh rè gach cuid an t-solas agus an dorchadas gun a bhith a’ sealltainn ana-cainnt ann an amannan cadail / dùsgadh iomlan no soidhnichean. de cataplexy (Matsuki et al., 2009). Còmhla, tha an dàta seo a ’moladh gu bheil na peptidean hcrt cudromach gus crìochan eadar stàitean cadail is caithris a mhìneachadh, mar a chithear le bhith a’ briseadh staid cadail is caithris ann am modalan beathach de narcolepsy.

Ged a tha e air a chlàradh gu farsaing gu bheil feum air gnìomh bith-eòlasach peptidean hcrt gus arousal agus cadal iomchaidh a chumail suas, chan eil e soilleir dè am fear den dà gabhadair hcrt, OX1R, no OX2R, a tha an urra gu bith-eòlach airson buaidhean hcrt air arousal, a bharrachd air seasmhachd cadail agus smachd tòna fèithe. OX1R Tha mRNA air a chuir an cèill ann am mòran raointean eanchainn, gu sònraichte an LC, raphe nuclei, LDT fhad ‘s a OX2R Tha mRNA a ’nochdadh pàtran faireachdainn co-phàirteach ann an cortex cerebral, raphe nuclei, a bharrachd air dorsomedial agus posterior (anns an niuclas tuberomammillary) hypothalamus (Trivedi et al., 1998; Marcus et al.,. 2001; Mieda et al., 2011). Mar sin, chaidh a mholadh gum bi smachd caithris agus cadal-gu-dùsgadh NREM gu mòr an urra ri OX2R (Mochizuki et al., 2011) fhad ‘s a tha dysregulation cadail REM (gun samhail ri narcolepsy-cataplexy) mar thoradh air call chomharran tro gach cuid OX1R agus OX2R (Mieda et al., 2011). Ach, chan eil e soilleir dè a ’bhuaidh a th’ aca ann a bhith a ’riaghladh narcolepsy, gu sònraichte cataplexy agus ionnsaigh cadail. Bidh coin le narcolepsy oighreachail a ’giùlan mùthadh null anns an OX2R gine (Lin et al., 1999) agus modail na luchaige co-fhreagarrach, an OX2R Luchagan KO, a ’nochdadh comharraidhean nach eil cho dona na na coin (Willie et al.,. 2003). Ged a tha OX1R a ’gabhail pàirt ann an riaghladh arousal (Mieda et al., 2011), tha na tha e a ’cur ri comharran narcolepsy fhathast air a chomharrachadh tuilleadh.

Gu cudromach, tha gnìomhachd ann an siostaman arousal eile air a bhuaireadh gu làidir rè cataplexy. Bidh neurons LC a ’sgur a leigeil ma sgaoil (Gulyani et al.,. 1999) agus bidh neurons serotoninergic a ’lughdachadh gu mòr an gnìomhachd aca (Wu, 2004), fhad ‘s a tha ceallan suidhichte anns an amygdala (Gulyani et al., 2002) agus sheall an TMN ìre losgaidh nas motha (John et al., 2004). Tha an comann seo a ’moladh gu bheil an dà chuid OX1R (LC, raphe), agus OX2R (TMN, raphe) an sàs ann an cumail suas tòna fèithe iomchaidh. Chomharraich sgrùdaidhean o chionn ghoirid cuideachd àite shiostaman cholinergic atharraichte ann a bhith a ’brosnachadh cataplexy ann an luchagan narcoleptic (Kalogiannis et al., 2011, 2010). Mar sin, is e amas cudromach, gun fhuasgladh, sreangadh gnìomh neurons hcrt a chomharrachadh, a bharrachd air daineamaigs sgaoileadh synaptic bho ionadan-crìche hcrt gus na ro-mheasaidhean sìos an abhainn a mhìneachadh (de Lecea et al., 2012) a bhios a ’cumail smachd air arousal, stàitean cadail, tòna fèithe, agus giùlan cuimsichte air amasan.

An locus coeruleus, norepinephrine, agus arousal

Tha an LC ri taobh an 4^th ventricle anns an t-siostam eanchainn agus tha neurons ann a bhios a ’dèanamh synthesis den monoamine norepinephrine (NE). Ged a tha ceithir àireamhan cealla eile cuideachd a ’toirt a-mach buidhnean cealla NE (na buidhnean cealla A1, A2, A5, agus A7), tha an LC a’ dèanamh ~ 50% de NE iomlan an eanchainn agus is e an aon stòr don cortex. Tha mòran de gabhadairean NE gnìomhach air feadh an eanchainn, le gabhadairean α1 agus β mar as trice ag adhbhrachadh comasan postynaptic excitatory agus gabhadairean α2 mar as trice ag adhbhrachadh comasan postynaptic bacaidh. Lorgar gabhadairean α2 gu dùmhail air neurons LC (Berridge agus Waterhouse, 2003) iad fhèin agus a ’frithealadh mar autoreceptors bacaidh gus gnìomhachd gnèitheach a chumail fodha.

Tha clàraidhean ann am beathaichean a tha nan giùlan nan dùisg a ’sealltainn gu bheil neurons LC a’ losgadh gu tonally aig 1 - 3 Hz rè stàitean dùisg, a ’losgadh nas lugha rè cadal SWS, agus gu bheil iad cha mhòr sàmhach rè cadal REM (Aston-Jones agus Bloom, 1981; Jones, 2003; Saper et al., 2010). Bidh an LC cuideachd a ’losgadh mean air mhean ann an spreadhaidhean goirid de 8 - 10 Hz aig àm taisbeanadh brosnachaidh brosnachail a dh’ fhaodadh a bhith a ’meudachadh fad caithris. Coltach ri neurons hcrt, bidh atharrachaidhean anns an ìre sgaoilidh a ’dol ro atharrachaidhean ann an eadar-ghluasad cadail-gu-dùsgadh (Aston-Jones agus Bloom, 1981), a ’moladh gu bheil na ceallan sin cudromach airson eadar-ghluasadan gu dùsgadh no aire.

Gu h-inntinneach, chan eil leòintean corporra an LC a ’faighinn atharrachaidhean cunbhalach ann an EEG cortical no clàran giùlain giùlan (Lidbrink, 1974; Blanco-Centurion et al., 2007). Chan eil abachadh ginteil dopamine beta-hydroxylase, enzyme a tha riatanach airson synthesis NE, cuideachd a ’cur dragh air stàitean dùsgadh cadail (Hunsley et al., 2006). Tha seo a ’toirt fa-near gu bheil cuairteachadh neural iomarcach, taobh a-muigh structar LC, a’ toirt taic do ghnìomhachd cortical agus uidheamachdan leasachaidh dìolaidh, fa leth. Ach, in-stealladh meadhanach de antagonists pharmacological de gabhadairean α1 agus β noradrenergic (Berridge agus España, 2000) no agonists de autoreceptors inhibitory α2 (De Sarro et al., 1987) tha buaidhean sedative susbainteach aca. Bidh rianachd meadhanach NE gu dìreach a-steach do na ventricles no forebrain a ’brosnachadh dùsgadh (Segal agus Mandell, 1970; Flicker agus Geyer, 1982). Bidh brosnachadh neurons san LC a ’cleachdadh meanbh-bhualaidhean ionadail de agonist cholinergic (bethanechol) a’ toirt gu buil gnìomhachd luath air an EEG forebrain ann am radain halothane-anesthetized (Berridge agus Foote, 1991). O chionn ghoirid, chaidh sealltainn gu robh an siostam LC-NE deatamach airson a bhith a ’cumail suas comas nas motha de neurons cortical ann an dùisg an coimeas ri stàitean cadail (Constantinople agus Bruno, 2011). Air an toirt còmhla, tha na sgrùdaidhean sin a ’ciallachadh gu bheil an siostam LC-NE a’ desynchronizes gnìomhachd cortical agus a ’meudachadh comas membran cortical gus arousal a mheudachadh.

Sgaoileadh optogenetic de hcrt agus smachd LC-NE air arousal

Tha gnìomhachd neurons hcrt agus LC-NE a ’buntainn ri eadar-ghluasadan cadail-gu-dùsgadh, ge-tà, tha e air a bhith duilich a bhith a’ brosnachadh no a ’cur bacadh air àireamhan sònraichte hcrt agus LC-NE le rùn ùineail a tha buntainneach ri amannan cadail no dùsgadh, agus a choileanadh roghnaidheachd spàsail gus sgrùdadh a dhèanamh air na ceallan sin gun a bhith a ’toirt buaidh air ceallan no snàithleanan mun cuairt. Ann an oidhirp gus tuigse nas fheàrr fhaighinn air daineamaigs temporal de chuairtean neòil de dhùsgadh, chuir sinn optogenetics an sàs o chionn ghoirid gus gnìomhachd neurons hcrt agus LC a làimhseachadh ann an ainmhidhean a tha a ’gluasad gu saor (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Bidh Optogenetics a ’cleachdadh moileciuilean actuator opsin (me, channelrhodopsin-2 (ChR2) no halorhodopsin - NpHR) gus ceallan a tha ag amas gu ginteil a ghnìomhachadh no a chumail sàmhach, fa leth, le flasan solais aig tonn-tonn sònraichte (Boyden et al., 2005). Gheibhear tuilleadh fiosrachaidh mu theicneòlas optogenetic ann an iomadh lèirmheas sàr-mhath eile (Zhang et al., 2006; Miesenbock, 2009; Scanziani agus Häusser, 2009; Yizhar et al., 2011; Deisseroth, 2012).

Gus na actuators sin a lìbhrigeadh gu hcrt no LC neurons, chleachd sinn innealan lìbhrigidh gine viral lentiviral agus cre-eisimeil (AAV), fa leth, fo smachd luchd-brosnachaidh sònraichte seòrsa cealla (Adamantidis et al., 2007). Gus solas a lìbhrigeadh don raon hcrt no LC, dhealbhaich sinn eadar-aghaidh optigeach-neural anns an deach fibrean optigeach a chuir a-steach gu cronail air claigeann na luchaige, mar a chaidh a mhìneachadh an àite eile (Adamantidis et al., 2005, 2007; Aravanis et al., 2007; Zhang et al.,. 2010). A ’cleachdadh na ro-innleachd seo, bha e comasach dhuinn smachd a chumail air gnìomhachd neural hcrt an dà chuid ann vitro agus ann am vivo le brosnachadh optigeach millisecond-mionaideach (Adamantidis et al., 2007). Leig an cruinneas brosnachaidh ùineail agus spàsail àrd dhuinn a bhith ag atharrais air an raon fiosaigeach de ìrean sgaoilidh hypocretin neuron (1 - 30 Hz) (Hassani et al., 2009). Gu dearbh, chleachd sinn trèanaichean cuisle aotrom airson ar brosnachadh optogenetic a bha stèidhichte air paramadairean air an sgrùdadh tricead fìor de hcrt neurons ann am vivo (tha seo cuideachd fìor airson smachd optogenetic de neurons LC-NE air a mhìneachadh gu h-ìosal). Fhuair sinn a-mach gun robh brosnachadh optigeach aon-thaobhach dìreach de neurons hcrt a ’meudachadh coltachd gluasadan gu dùsgadh bho aon chuid cadal SWS no REM (Figear (Figure1A) .1A). Gu h-inntinneach, lùghdaich brosnachadh optigeach àrd-tricead (trèanaichean cuisle solais 5 - 30 Hz) an latency gu dùsgadh ach cha do rinn trèanaichean 1 Hz, a ’moladh gun deidheadh ​​sgaoileadh synaptic a bha an urra ri tricead de neurotransmitter (glutamate) agus neuromodulators, a’ toirt a-steach hcrt no dynorphin bho na cinn-uidhe. Sheall sinn cuideachd gum faodadh na buaidhean a bhith a ’brosnachadh neurons hcrt a bhith air am bacadh le in-stealladh antagonist OX1R no le bhith a’ cur às do ghinean hcrt gu ginteil, a ’moladh gum bi peptidean hcrt a’ meadhanachadh, co-dhiù ann am pàirt, eadar-ghluasadan cadail gu dùsgadh optogenetically. Tha na co-dhùnaidhean sin a ’sealltainn gu bheil leigeil ma sgaoil hcrt bho neurons hcrt-expressing riatanach airson togalaichean brosnachaidh nan neurons sin a bhrosnachadh. Gu cudromach, tha na toraidhean sin a ’nochdadh ceangal adhbharach eadar gnìomhachd hcrt neuron agus eadar-ghluasadan cadail-gu-dùsgadh, co-chòrdail ri sgrùdaidhean co-dhàimheil roimhe. Bha seo a ’faighinn taic a bharrachd leis gu bheil sileacon optigeach de hcrt neurons a’ brosnachadh SWS (Tsunematsu et al., 2011).

 

Figear 1

Sgaoileadh optogenetic de chuairtean arousal den eanchainn. (A) Tha brosnachadh neurons hcrt le ChR2 ag adhbhrachadh lùghdachadh ann an latency cadal-gu-dùsgadh aig 10 Hz ach chan e 1 Hz (dàta bho Adamantidis et al., 2007). (B) Tha brosnachadh neurons LC le ChR2 ag adhbhrachadh sa bhad ...

Chaidh na toraidhean sin a dhearbhadh o chionn ghoirid le Sasaki agus co-obraichean (Sasaki et al., 2011), a chleachd dòigh-obrach pharmacogenetic ris an canar Dealbhadairean Receptors air a ghnìomhachadh gu sònraichte le Dealbhadairean Drogaichean (DREADDs) gus gnìomhachd neural hcrt a ghnìomhachadh agus a chumail fodha. Tha teicneòlas DREADD a ’ceadachadh modaladh bimodal de ghnìomhachd neural le fuasgladh ùineail grunn uairean a thìde (Dong et al., 2010). Fhuair iad a-mach gun robh gnìomhachd gnìomhachd hcrt neural a ’meudachadh dùsgadh fhad‘ s a bha cur-thairis gnìomhachd hcrt a ’brosnachadh SWS.

Ann an dàrna sgrùdadh (Carter et al.,. 2009), sheall sinn gu bheil smachd hcrt air eadar-ghluasadan cadail-cadail fo eisimeileachd phròiseasan homeostasis cadail seach gu bheil eadar-ghluasadan cadail-gu-dùsgadh hcrt-mediated air am bacadh le barrachd cuideam cadail (air adhbhrachadh le dìth cadail). Ach, lean buaidh brosnachaidhean optogenetic de hcrt ann an luchagan bualadh histamine decarboxylase (luchainn nach eil comasach air histamine a dhèanamh còmhla) a ’moladh gu bheil targaid eile ann gu bheil an siostam histaminergic an urra ri buaidh an hcrt. Mu dheireadh, sheall sinn gun do mheudaich ionadan arousal sìos an abhainn mar na neurons LC an gnìomhachd aca (mar a chaidh a thomhas le abairt c-Fos) mar fhreagairt do bhrosnachadh hcrt optogenetic. Leis gu robh obair roimhe a ’sealltainn buaidh excitatory de hcrt air LC NE neurons (Bourgin et al., 2000), rinn sinn sgrùdadh air a ’cheangal hcrt-LC agus chuir sinn fòcas air na sgrùdaidhean deuchainneach againn air an LC noradrenergic mar thargaid ùr airson làimhseachadh optogenetic.

Ann an treas sgrùdadh (Carter et al., 2010), chuir sinn targaid gu ginteil air neurons LC-NE le in-stealladh stereotaxic de bhìoras ceangailte ri adeno (rAAV) Cre recombinase a-steach do luchagan bualadh a-steach gu roghnach a ’cur an cèill Cre ann an neurons tyrosine hydroxylase (TH) (Atasoy et al., 2008; Tsai et al.,. 2009). Fhuair sinn a-mach gu robh gach cuid NpHR agus ChR2 gnìomhach agus gum faodadh iad bacadh agus gnìomhachadh, fa leth, neurons LC-NE an dà chuid ann vitro agus ann am vivo (Figear (Figure1B) .1B). Fhuair sinn a-mach gun robh brosnachadh tricead ìosal optogenetic (1 - 10 Hz) de neurons LC-NE ag adhbhrachadh eadar-ghluasadan cadail-gu-dùsgadh sa bhad (nas lugha na 5 s) bhon dà chuid cadal SWS agus REM. Le bhith a ’brosnachadh neurons LC rè caithris mheudaich gnìomhachd locomotor agus an ùine iomlan a chaidh a chaitheamh na dhùisg, a’ dearbhadh a ’bhuaidh làidir làidir. An coimeas ri sin, lùghdaich sàrachadh NpHR-meadhanaichte de neurons LC-NE fad nan amannan caithris ach cha do chuir iad bacadh air eadar-ghluasadan cadail gu dùsgadh nuair a bha beathaichean nan cadal. Air an toirt còmhla, sheall an sgrùdadh seo gu bheil gnìomhachd neurons LC-NE riatanach airson a bhith a ’cumail suas amannan àbhaisteach de dhùsgadh (deuchainn NpHR), agus gu leòr gus eadar-ghluasadan cadail-gu-dùsgadh sa bhad, dùsgadh seasmhach, agus barrachd àrdachadh locomotor. Mar sin, mhol sinn gum biodh na neurons LC-NE ag obair mar shiostam gleusaidh luath gus eadar-ghluasadan cadail-gu-dùsgadh agus arousal coitcheann adhartachadh. Gu inntinneach, lorg sinn gu bheil gnìomhachd optigeach seasmhach de neurons LC-NE a ’brosnachadh grèim locomotor (Carter et al., 2010). Bidh an leithid de chur an grèim giùlan a ’roinn comharraidhean cumanta le cataplexy, catatonia no reothadh giùlain an dà chuid ann am modalan beathach agus euslaintich daonna (Scammell et al., 2009). Faodaidh uidheamachdan a bhith a ’toirt a-steach ìsleachadh NE bho ionadan-crìochnachaidh LC-NE no overexcitation LC-NE de niuclasan motair brainstem a bheireadh gu pairilis. Feumar tuilleadh sgrùdaidh a dhèanamh gus na h-innleachdan bunaiteach fhuasgladh.

Anns an sgrùdadh as ùire againn (Carter et al.,. 2012), rinn sinn deuchainn air a ’bheachd gu bheil gnìomhachd LC a’ geata buaidhean hcrt neuron air eadar-ghluasadan cadail-gu-dùsgadh. Leis gu bheil àireamhan neural hcrt agus LC suidhichte ann an roinnean eanchainn sònraichte, tha e comasach gu corporra faighinn chun dà structar aig an aon àm san aon bheathach. Mar sin ghabh sinn dòigh-obrach dùbailte optogenetic gus neurons hcrt a bhrosnachadh fhad ‘s a bha iad a’ bacadh no a ’brosnachadh neurons LC noradrenergic aig àm cadail SWS. Fhuair sinn a-mach gun robh a bhith a ’sàrachadh neurons LC rè brosnachadh hcrt a’ cur bacadh air eadar-ghluasad cadail-gu-dùsgadh hcrt-mediated (Figear (Figear1C) .1C). An coimeas ri sin, lorg sinn gu robh a bhith a ’meudachadh excitability neurons LC tro ghnìomhachadh ceum-gnìomh opsin (SFO) - a tha a’ meudachadh cheallan targaid (Berndt et al., 2009) - a ’brosnachadh brosnachadh hcrt (a’ cleachdadh protocol brosnachaidh LC nach eil leis fhèin a ’meudachadh eadar-ghluasad cadail-gu-dùsgadh) eadar-ghluasadan cadail-gu-dùsgadh hcrt-mediated (Figear (Figear1D) .1D). Air an toirt còmhla, tha na co-dhùnaidhean againn a ’sealltainn gu bheil an LC a’ frithealadh mar bhuaidh èifeachdach agus gu leòr sìos an abhainn airson eadar-ghluasadan SWS-to-wake hcrt-mediated rè an ùine neo-ghnìomhach.

daineamaigs siostam hcrt agus LC-NE

Thairis air na sgrùdaidhean deuchainneach againn, chunnaic sinn gu bheil làimhseachadh optogenetic de hcrt agus LC-NE neurons a ’toirt buaidh air eadar-ghluasadan cadail-gu-dùsgadh le daineamaigs ùineail gu math eadar-dhealaichte (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Bidh gnìomhachadh optigeach dian de neurons hcrt ag adhbhrachadh eadar-ghluasadan cadail gu dùsgadh thar ùine de 10 - 30 s, fhad ‘s a tha brosnachadh neurons LC ag adhbhrachadh eadar-ghluasadan cadail gu dùsgadh ann an nas lugha na 5 s. Is e aon mhìneachadh gum faodadh neurons hcrt a bhith mar integrator suas an abhainn de arousal rè gnìomhan co-cheangailte ri hypothalamic fhad ‘s a tha an siostam LC-NE ag obair mar phrìomh bhuaidh airson arousal, cuideam, agus aire. Ach, tha coltas ann gu bheil na siostaman buaidh neuronal iomarcach agus air an cur an gnìomh le seataichean sònraichte de chuir a-steach. Mar sin, chan urrainn dhuinn a leigeil a-mach gum biodh bacadh air siostaman arousal eile, leithid na prìomh shiostaman histaminergic agus cholinergic, cuideachd a ’toirt buaidh mhòr air eadar-ghluasadan stàite giùlan hcrt-brosnaichte ann an suidheachaidhean deuchainneach eile.

A bharrachd air na buaidhean geàrr-ùine sin, tha e inntinneach cuideachd gun do mheudaich deuchainnean photostimulation leantainneach (ie, leth-chronach) de ~ 1 - 4 h de neurons hcrt eadar-ghluasadan cadail gun a bhith ag atharrachadh fad iomlan caithris, ach san fhad-ùine mheudaich photostimulation de neurons LC-NE gu mòr an ùine dùsgadh. Tha na co-dhùnaidhean sin a ’moladh gum faodadh an siostam hcrt crìochan caithris cadail a riaghladh fhad‘ s a dh ’fhaodadh gum bi neurons LC-NE a’ cumail smachd air fad caithris le bhith a ’meudachadh comas membran cortical agus a’ desyncronachadh an EEG cortical.

Tha an sgìreachadh hypothalamic de neurons hcrt a ’ciallachadh gu bheil àite brosnachail follaiseach aig na ceallan sin rè pròiseasan homeostatic, a’ toirt a-steach giùlan gnèitheasach, sealgaireachd bìdh, freagairt cuideam, agus brosnachadh. A bharrachd air an smachd aca air dùsgadh, bidh siostaman arousal cuideachd a ’gabhail pàirt ann an giùlan a tha a’ sireadh dhuaisean, gnìomhachd feise, freagairtean itealaich no sabaid, msaa. Dh ’fhaodadh gu bheil an dìth-obrach seo air gnìomh tòcail a dhaingneachadh thar mean-fhàs agus uidheaman eanchainn eugsamhail a’ toirt taic do dhùsgadh agus giùlan ceangailte ri arousal a tha riatanach airson mairsinn. Mar eisimpleir, bidh gnìomhachd an t-siostam LC-NE a ’meudachadh arousal agus ag adhbhrachadh giùlan coltach ri dragh (Itoi agus Sugimoto, 2010). An coimeas ri sin, tha an siostam neuropeptide S (NPS), peptide a chaidh a thoirt a-mach le àireamh-sluaigh neuronal cuibhrichte gu LC, cuideachd a ’meudachadh arousal ach lùghdachadh iomagain (Pape et al.,. 2010). Mar sin, gus taic a thoirt do dhleastanasan giùlain cho eadar-mheasgte, feumaidh cuairtean arousal a bhith air ìre àrd de shònrachadh a ruighinn, is dòcha tro roinneadh roghnach de na ceanglaichean dàimheach is èifeachdach aca, luchd-sgaoilidh / moduladairean a ’leigeil ma sgaoil comasan agus gnìomhachd ciallach le cuairtean arousal eile.

Seallaidhean

Anns na còig bliadhna a dh ’fhalbh, tha an cothlamadh de optogenetics, modalan luch air an innleachadh gu ginteil, agus mion-sgrùdadh EEG / EMG air cadal air seata innealan sònraichte agus cumhachdach a thoirt seachad gus tuilleadh tuigse fhaighinn air na tha na siostaman hcrt agus LC a’ cur air adhart, a bharrachd air àireamhan eile de neurons a bhios a ’riaghladh ìrean de chadal agus dùsgadh. Bidh cuimseachadh air probes optogenetic gu àireamhan eile de neurons san eanchainn a ’dearbhadh an dreuchdan fa leth agus còmhla ann an crìochan cadail / dùsgadh. A bharrachd air an sin, leigidh na h-innealan sin dhuinn dearbhadh a dhèanamh air an uidheamachd eanchainn a tha mar bhun stàitean caithris stèidhichte air ro-mheasaidhean anatomical, neurotransmission synaptic, agus daineamaigs sgaoileadh tar-chuir. Tha an comas a bhith a ’cuimseachadh agus a’ làimhseachadh na cuairtean sin gu mionaideach le mionaideachd ùineail àrd (<1 s) a ’toirt cothrom tuilleadh sgrùdadh a dhèanamh air an àite aca ann an speactram farsaing de ghiùlan leithid toirt a-steach biadh, cuir-ris, cuideam, aire, agus mì-thoileachas gnèitheasach. Aig a ’cheann thall, dh’ fhaodadh na sgrùdaidhean sin na h-uidheaman pathophysiologic de dhuilgheadasan inntinn-inntinn fhuasgladh leithid iomagain cronail, cuir-ris, dìth aire, agus trom-inntinn.

Acknowledgments

iomraidhean