A hypocretin és az LC-NE neuronok funkcionális bekötése: az arousalra gyakorolt ​​hatások (2013)

Absztrakt

Az alvás és az ébrenlét két egymást kizáró állam, amely az állatvilágban mind az ultrahangos, mind a cirkadián periódusokat követi. Az éberség olyan tudatos állapot, amelyben az állat érzékeli és kölcsönhatásba lép a környezetével. Hosszabb ébrenlét után az alvási nyomás emelkedik, és az alvás kezdetéhez vezet, amelyet a sztereotípiás testtartással és a magasabb szenzoros küszöbértékkel jellemezhető relatív inaktivitási időszakként jellemeznek.

Az emlősökben az alvás általában lassú hullámokra (SWS vagy NREM alvás az emberekben) és a gyors szemmozgás (REM) alvása (más néven „paradox alvás”). Az ébrenlét, az SWS és a REM alvás különböző viselkedési állapotok, amelyeket pontos elektroencefalográfiai (EEG) és elektromográfiai (EMG) jellemzők határozhatnak meg. Ébredés alatt az alacsony amplitúdójú, vegyes frekvenciájú rezgések dominálnak. Az SWS-et nagy amplitúdójú lassú oszcillációk jellemzik (0.5 – 4 Hz), amelyek túlsúlya (az EEG teljesítménysűrűségével mérve) az alvás mélységét tükrözi. A REM alvás egy egyedülálló viselkedési állapot, melyet gyorsabb, vegyes frekvenciájú oszcillációk jellemeznek, amelyek között a rágcsálókban a theta (5-10 Hz) oszcilláció dominál, izom-atóniával együtt, valamint a szív ingadozása és a légzési arány.

Bár az alvási és ébrenléti állapotok minőségileg és mennyiségi szempontból könnyen jellemezhetők, meglepően nehéz meghatározni, hogy mit jelent az „ébredés”. Az arousal kifejezés általában az éberség és az éberség fokozott fokú fokozására utal, ami a motor fokozott aktiválódása, reagálhatósága. érzékszervi bemenetek, érzelmi reaktivitás és fokozott kognitív feldolgozás.

Az alvás-ébrenléti ciklus és az általános éberség szintje mögött álló agyi mechanizmusok továbbra is tisztázatlanok, és számos klasszikus tanulmány azonosította a neuronok több populációját, amelyek aktivitása összefügg a különböző viselkedési állapotokkal. Eredetileg azt feltételezték, hogy a viselkedési átmenetek előtt aktív neuronok (azaz az alvás-ébrenléti átmenet előtt aktív neuronok) kellene támogatnia, az elkövetkező állapot, míg az adott állapotban aktív ébredés (ébredés vagy alvás) fontosak fenntartása azt. Ezt a nézetet bonyolítja az a felismerés, hogy a hálózaton lévő neuronok más, több ok-okozati neuronokhoz való kapcsolódás következtében államhatárral összefüggő aktivitást mutathatnak anélkül, hogy közvetlenül felelősek lennének az állami átmenetekért. Mindazonáltal általában arra a következtetésre jutottak, hogy vannak olyan idegpopulációk, amelyek ok-okozati szerepet játszanak az alvás és / vagy az arousal állapotokban. Azok a populációk, amelyekről úgy gondolják, hogy elősegítik az izgalmat, a következők: a hypocretin (hcrt - más néven „orexins”) - kifejező neuronok az oldalsó hypothalamusban, a noradrenerg lokusz coeruleus (LC) -expresszáló neuronok az agyban, a szerotoninerg dorsalis raphe mag (DRN) az agytörzsben a hátsó hipotalamuszban a hisztaminerg tuberomammilary mag (TMN), a középső agyban a kolinerg pedunculopontine (PPT) és a laterodorsalis tegmentális (LDT) magok, valamint a bazális előterületen lévő kolinerg neuronok (Jones, 2003). Ezzel ellentétben az elülső hipotalamikus struktúrák gátló neuronjai aktívak az SWS alatt, míg az oldalsó hypothalamusból származó melanin-koncentráló hormon (MCH) neuronok, valamint az agystílusból származó glutamaterg és GABAerg neuronok aktívak a REM alvás közben (Fort et al., 2009).

Az utóbbi években mi és mások is elkezdtük az optogenetikai technológiát különböző egérmodellekkel olyan kérdések megválaszolására, mint a Hogyan szabályozzák az ébrenléti rendszerek az ébrenlétet és az éberséget? Hogyan hatnak egymással funkcionálisan az izgalom előmozdítására, fenntartására vagy szélesítésére bizonyos kontextusokban? Legutóbbi tanulmányainkban különösen érdekeltek a hcrt-t expresszáló neuronok (de Lecea et al., 1998; Sakurai és mtsai. 1998). A hcrt két neuro-excitáló peptid (de Lecea et al., 1998; Sakurai és mtsai. 1998) az 3200 neuronokban az egér laterális hipotalamuszban (~ 6700 és 50,000 – 80,000 a patkányokban és az emberi agyban) termelték (de Lecea és Sutcliffe, 2005; Modirrousta és munkatársai, 2005). Ezek a neuronok funkcionális bemeneteket kapnak a kéregben, a limbikus rendszerben, a szubkortikális területeken elterjedt több rendszerből, beleértve magát a hypothalamusot, a thalamusot és az agyi kolinerg magok növekvő vetületeit, a retikuláris képződést, a középső agyi magokat és a periaqueductal szürke-t. Ezek a neuronok viszont a központi idegrendszerben, köztük az agy felkeltő és jutalmazó központjaiban, a hcrt receptorokat expresszáló neuronok (OX1R és OX2R). A hcrt neuronok afferens és efferens vetületei arra utalnak, hogy szerepet játszanak a többszörös hypothalamikus funkciókban, beleértve az alvás / ébresztő ciklus és a célorientált viselkedés szabályozását. Érdekes módon azt találtuk, hogy a hcrt neuronoktól a noradrenergikus LC neuronokhoz való specifikus efferens vetítés közvetíti az alvás-ébrenlét átmeneteket és esetleg az arousal általánosabb aspektusait.

Itt összefoglaljuk a legutóbbi optogenetikai kísérleteket, amelyek azt a hipotézist tesztelik, hogy a hcrt és az LC neuronok felkavarási állapotot váltanak ki és fenntartanak (Adamantidis et al., 2007; Carter és mtsai. 2009, 2010, 2012). Először is röviden kiemeljük és összefoglaljuk a korábbi genetikai és farmakológiai technikákat alkalmazó rendszereket. Ezután integráljuk saját eredményeinket az optogenetikus próbákkal, hogy szelektíven stimuláljuk vagy gátoljuk ezeket a rendszereket szabadon mozgó egerekben. Végül megvitatjuk a megoldatlan kérdéseket és spekulálunk az arousal áramkörök jövőbeli anatómiai és funkcionális disszekcióira.

Hypocretins, ébrenlét és narkolepszia

A hcrt idegsejtek általában csendesek a csendes ébrenlét, az SWS és a REM alvás közben, de az aktív ébresztés és a REM alvás-ébrenléti átmenetek során magas kisülési sebességet mutatnak (Lee et al., 2005; Mileykovskiy és munkatársai, 2005; Takahashi és munkatársai, 2008; Hassani és mtsai. 2009). Ezen túlmenően nagy kiáramlási sebességet mutatnak a környezeti ingerek által kiváltott ébredés során (pl. Hallási inger) (Takahashi et al., 2008) és a célorientált magatartás (Mileykovskiy et al., 2005; Takahashi és munkatársai, 2008). Ezek a vizsgálatok arra utalnak, hogy a hcrt neuronok részt vesznek az alvás-ébrenléti átmenetekben, valamint a különböző célorientált viselkedések során megfigyelt fokozott éberségben.

A hcrt jelzés blokkolása vagy elnyomása azt mutatja, hogy az egerekben, patkányokban, kutyákban, emberekben és esetleg zebrafisekben (Sakurai, hurok) a hcrt szükséges. 2007; Yokogawa és munkatársai, 2007). Valójában a leginkább kényszerítő funkció-veszteség a hcrt hiány és a narkolepszia tünetei közötti kapcsolatból származik (Peyron et al., 2000; Saper és mtsai. 2010). A kataplexiában szenvedő narkoleptikus betegek teljes mértékben hiányoznak hcrt gén transzkriptumok a hipotalamuszban, valamint a nem-vagy alig kimutatható hcrt szintek a cerebrospinalis folyadékban (Thannickal et al., 2000; Sakurai, 2007; Yokogawa és munkatársai, 2007). A Doberman narcoleptikus kutyák mutációi vannak OX2Rés minden géntechnológiával megtervezett rágcsálók, amelyeknek a törlése hcrt, OX2R, vagy a hcrt sejtek olyan viselkedési letartóztatásokat mutatnak, amelyek hasonlítanak a kataplexiára, a narkolepszia jelére (Jones, 2003; Sakurai, 2007; Sehgal és Mignot, 2011). Fontos, hogy a genetikai mentés hcrt a génexpresszió egerekben enyhítette a narkolepszia tüneteit (Liu et al., 2011; Blanco-Centurion és munkatársai, 2013).

A hcrt peptidek vagy hcrt agonisták intracerebroventrikuláris (icv) infúziója növeli az ébren töltött időt és az SWS és a REM alvás csökkenését [áttekintés Sakurai-ban (2007)]. A peptid sztereotaktikus injekciója az LC, LDT, bazális előtérben vagy az oldalsó hipotalamuszban megnövekedett ébrenlét és mozgásszervi aktivitás, amely gyakran az SWS és a REM alvás jelentős csökkenésével jár (Hagan et al., 1999). A közelmúltban a szelektív GABA-B receptor gén deléciójával csak a hcrt neuronokban alkalmazott hcrt neuronok genetikai diszhibálódása súlyos alvási / ébrenléti állapotok széttöredezettségét váltotta ki mind a világos, mind a sötét időszakban anélkül, hogy a teljes alvás / ébredés időtartamában vagy jeleiben rendellenes lenne. kataplexiában (Matsuki et al., 2009). Ezek az adatok együttesen arra utalnak, hogy a hcrt peptidek fontosak az alvás és az ébrenléti állapotok közötti határok meghatározásához, amint azt az alvás és az ébrenléti állapot fragmentációja mutatja a narkolepszia állati modelljeiben.

Bár széles körben dokumentálták, hogy a hcrt peptidek biológiai funkciója szükséges a megfelelő izgalom és alvás fenntartásához, továbbra sem világos, hogy a két hcrt receptor közül az OX1R vagy az OX2R közül melyik felelős biológiailag a hcrt izgalomra gyakorolt ​​hatásáért, valamint az alvásstabilitásért és az izomtónus szabályozása. OX1R Az mRNS-t számos agyterületen fejezzük ki, különösen az LC, raphe magokban, LDT-ben OX2R Az mRNS egy komplementer expressziós mintázatot mutat az agykéregben, a raphe magokban, valamint a dorsomedialis és posterior (a tuberomammilláris magban) hipotalamuszban (Trivedi et al., 1998; Marcus és mtsai. 2001; Mieda és mtsai. 2011). Tehát azt javasoljuk, hogy az ébrenlét és az NREM alvás-ébrenlét szabályozása kritikusan függ az OX2R-ről (Mochizuki et al., 2011) míg a REM alvás diszregulációja (egyedülálló a narkolepszia-kataplexiára) az OX1R és az OX2R-en keresztüli jelzésvesztésből ered (Mieda et al., 2011). Ugyanakkor a narkolepszia szabályozásában, különösen a kataplexiában és az alvási támadásokban rejlő következményei nem egyértelműek. Az öröklődő narkolepsziás kutyák nulla mutációval rendelkeznek a OX2R gén (Lin et al., 1999) és a megfelelő egér modell, a OX2R KO egereken kevésbé súlyos tüneteket mutatnak, mint a kutyák (Willie és mtsai., 2003). Bár az OX1R részt vesz az arousal szabályozásában (Mieda et al., 2011), a narkolepszia tüneteihez való hozzájárulását még tovább kell jellemezni.

Fontos, hogy az egyéb élesítő rendszerek tevékenysége erősen zavarja a kataplexiát. Az LC neuronok megszűnnek (Gulyani et al., 1999) és a szerotoninerg neuronok jelentősen csökkentik aktivitásukat (Wu, \ t 2004), míg az amygdala sejtjei (Gulyani et al., 2002) és a TMN megnövekedett égési szintet mutatott (John et al., 2004). Ez az összefüggés azt sugallja, hogy mind az OX1R (LC, raphe), mind az OX2R (TMN, raphe) részt vesz a megfelelő izomtónus fenntartásában. A közelmúltban végzett tanulmányok is rámutattak a megváltozott kolinerg rendszerek szerepére a narcoleptikus egerek kataplexiájának kiváltásában (Kalogiannis et al., 2011, 2010). Ezért fontos, megoldatlan cél az, hogy azonosítsuk a hcrt neuronok funkcionális vezetékeit, valamint a hcrt terminálokból származó szinaptikus felszabadulás dinamikáját, hogy pontosan meghatározzuk a lefelé irányuló előrejelzéseket (de Lecea et al., 2012), amelyek az izgalmat, az alvási állapotokat, az izomtónust és a célorientált viselkedést szabályozzák.

A locus coeruleus, norepinefrin és arousal

Az LC az 4-tel szomszédos^th kamra az agytörzsben, és neuronokat tartalmaz, amelyek szintetizálják a monoamin-noradrenalin (NE). Bár négy másik sejtpopuláció is NE-t termel (az A1, A2, A5 és A7 sejtcsoportok), az LC az agy teljes NE-jének ~ 50% -át termeli, és ez az egyetlen forrása a kéregnek. Az agyban számos funkcionális NE receptor található, az α1 és β receptorok általában gerjesztő posztszinaptikus potenciálokat, az α2 receptorok pedig általában gátló posztszinaptikus potenciálokat okoznak. Az α2 receptorok sűrűn találhatók az LC idegsejtjein (Berridge és Waterhouse, 2003) önmagukban és gátló autoreceptorként szolgálnak a belső aktivitás elnyomására.

Az ébren élő állatoknál a felvételek azt mutatják, hogy az LC neuronok az 1 – 3 Hz-ben tónusúak, ébrenléti állapotban, kevesebb SWS alvás közben, és a REM alvás közben gyakorlatilag némaak (Aston-Jones és Bloom, 1981; Jones, 2003; Saper és mtsai. 2010). Az LC az 8 – 10 Hz rövid töréseiben is feszültséget okoz az ébrenlét időtartamát növelő kiemelkedő ingerek bemutatása során. A hcrt neuronokhoz hasonlóan a kisülési sebesség változásai megelőzik az alvás-ébrenléti átmenet változásait (Aston-Jones és Bloom, 1981), ami arra utal, hogy ezek a sejtek fontosak az ébrenlétre vagy figyelemre való átmenetre.

Érdekes, hogy az LC fizikai sérülései nem váltanak ki következetes változásokat a kortikális EEG vagy az arousal viselkedési mutatóiban (Lidbrink, 1974; Blanco-Centurion és munkatársai, 2007). A dopamin béta-hidroxiláz genetikai ablációja, az NE-szintézishez szükséges enzim szintén nem zavarja az alvás-ébrenlétet (Hunsley et al., 2006). Ez arra utal, hogy redundáns neurális áramkör létezik, az LC struktúrán kívül, a kortikális aktivitást és a kompenzációs fejlődési mechanizmusokat támogatva. Az α1 és β noradrenerg receptorok farmakológiai antagonistáinak központi injekciói (Berridge és España, \ t 2000) vagy gátló α2 autoreceptorok agonistái (De Sarro et al., 1987) jelentős nyugtató hatásúak. Az NE központi adagolása közvetlenül a kamrákba vagy az előtérbe elősegíti az ébrenlétet (Segal és Mandell, 1970; Flicker és Geyer, 1982). A neuronok stimulálása az LC-ben egy kolinerg agonista (betanechol) helyi mikroinjekciója segítségével gyors előidézést eredményez az EEG EEG-ben a halotán érzéstelenített patkányokban (Berridge és Foote, 1991). A közelmúltban az LC-NE rendszer kritikusnak bizonyult a kortikális neuronok megnövekedett membránpotenciáljának fenntartásában az alvó állapotokhoz képest (Konstantinápoly és Bruno, 2011). Összefoglalva, ezek a vizsgálatok arra utalnak, hogy az LC-NE rendszer szinkronizálja a kortikális aktivitást és növeli a kortikális membránpotenciálokat az izgalom növelésére.

A hcrt és az LC-NE irányításának optogenetikus szétválasztása

A hcrt és az LC-NE neuronok aktivitása korrelál az alvás és ébrenlét közötti átmenetekkel, azonban nehéz volt szelektíven stimulálni vagy gátolni az egyes hcrt és LC-NE populációkat az alvás vagy ébrenlét epizódok szempontjából releváns időbeli felbontással, és a térbeli szelektivitás a sejtek szondázásához anélkül, hogy befolyásolná a környező sejteket vagy a folyadékszálakat. Az ébrenlét idegi áramkörének időbeli dinamikájának jobb megértése érdekében nemrégiben optogenetikát alkalmaztunk, hogy reverzibilisen és szelektíven manipuláljuk a hcrt és LC neuronok aktivitását szabadon mozgó állatokban (Adamantidis et al., 2007; Carter és mtsai. 2009, 2010, 2012). Az Optogenetics az opsin molekulákat (pl. Channelrhodopsin-2 (ChR2) vagy halorhodopsin-NpHR) használja a genetikailag célzott sejtek szelektíven aktiválására vagy elhallgatására, bizonyos hullámhosszú fény villogásával (Boyden et al., 2005). Az optogenetikai technológiával kapcsolatos további információk sok más kiváló értékelésben találhatók (Zhang et al., 2006; Miesenböck, 2009; Scanziani és Häusser, 2009; Yizhar és mtsai. 2011; Deisse-roth, 2012).

Ezeknek a hcrt vagy LC neuronoknak a működtetéséhez lentivírus és cre-függő adeno-asszociált vírusos (AAV) génszállító eszközöket használtunk, a sejt-típusú specifikus promoterek irányítása alatt (Adamantidis et al., 2007). Ahhoz, hogy fényt nyújtsunk a hcrt vagy LC mezőbe, olyan optikai-neurális interfészeket terveztünk, amelyekben az optikai szálakat az egér koponyáján krónikusan beültettük, amint azt máshol leírták (Adamantidis et al., 2005, 2007; Aravanis és mtsai. 2007; Zhang és mtsai. 2010). Ezzel a stratégiával mind a hcrt neurális aktivitást tudtuk szabályozni in vitro és a in vivo milliszekundum-pontos optikai stimulációval (Adamantidis et al., 2007). A stimuláció magas időbeli és térbeli pontossága lehetővé tette számunkra, hogy utánozzuk a hipokretin neuronok kibocsátási sebességének fiziológiai tartományát (1 – 30 Hz) (Hassani et al., 2009). Valójában fényimpulzus vonatokat használtunk az optogenetikus stimulációnkhoz, amelyek a hcrt neuronok tényleges frekvenciaelemzésén alapuló paramétereken alapultak. in vivo (ez az LC-NE neuronok optogenetikus szabályozására is vonatkozik). Azt tapasztaltuk, hogy a hcrt neuronok közvetlen egyoldalú optikai stimulációja növelte az SWS vagy REM alvás ébrenléti átmenetének valószínűségét (ábra). (Figure1A) .1A). Érdekes, hogy a nagyfrekvenciás optikai ingerlés (5-30 Hz fényimpulzus vonatok) csökkentette az ébrenlétet, míg az 1 Hz vonatok nem jelezték a neurotranszmitter (glutamát) és a neuromodulátorok frekvenciafüggő szinaptikus felszabadulását, beleértve a terminálok hcrt-jét vagy dinorfint. Azt is kimutattuk, hogy a hcrt neuronok stimulálásának hatásait az OX1R antagonista injekciója vagy a hcrt gén genetikai deléciója blokkolhatja, ami arra utal, hogy a hcrt peptidek legalább részben optogenetikusan indukált alvás-ébrenléti átmeneteket közvetítenek. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a hcrt-t expresszáló neuronok felszabadulása szükséges ezeknek a neuronoknak az ébresztő képességéhez. Fontos, hogy ezek az eredmények azt mutatják, hogy a hcrt neuronok aktiválása és az alvás-ébrenlét közötti átmenetek közötti összefüggés a korábbi korrelációs vizsgálatokkal összhangban van. Ezt alátámasztotta az a tény is, hogy a hcrt neuronok optikai elnémítása elősegíti az SWS-t (Tsunematsu et al., 2011).

 

ábra 1

Az agyi izgalmas áramkörök optogenetikus szétválasztása. (A) A hcrt neuronok stimulálása a ChR2-rel az alvás-ébrenléti késleltetés csökkenését okozza az 10 Hz-nél, de nem 1 Hz-ben (adatai Adamantidis et al., 2007). (B) Az LC neuronok stimulálása a ChR2-el azonnali ...

Ezeket az eredményeket nemrég Sasaki és munkatársai megerősítették (Sasaki et al., 2011), akik a Designer Receptorok nevű farmakogenetikai megközelítést alkalmazták, amelyet kizárólag a Designer Drugs (DREADD) aktivált, hogy aktiválja és elnyomja a hcrt neurális aktivitást. A DREADD technológia lehetővé teszi a neurális aktivitás bimodális modulációját több órás időbeli felbontással (Dong et al., 2010). Megállapították, hogy a hcrt neurális aktivitás aktiválása fokozta az éberséget, míg a hcrt-aktivitás elnyomása elősegítette az SWS-t.

Egy második vizsgálatban (Carter et al., 2009) kimutattuk, hogy az alvás-ébrenléti átmenetek hcrt-vezérlése az alvás homeosztázis folyamatainak függvénye, mivel a hcrt által közvetített alvás-ébrenlét átmenetet az alváshiány okozta megnövekedett alvási nyomás blokkolja. Azonban a hcrt optogenetikus stimulációjának hatása a hisztamin dekarboxiláz knockout egerekben (egerekben, amelyek nem képesek a hisztamin szintetizálására) fennmaradnak, ami arra utal, hogy egy másik cél, hogy a hisztaminerg rendszer felelős a hcrt hatásáért. Végül kimutattuk, hogy a downstream arousal központok, mint például az LC neuronok, a hcrt optogenetikus stimulációra válaszul növelték aktivitását (a c-Fos expresszióval mérve). Mivel a korábbi munkák az LC NE neuronok gerjesztő hatását mutatják (Bourgin et al., 2000), a hcrt-LC kapcsolatot vizsgáltuk, és kísérleti vizsgálatainkat a noradrenerg LC-re koncentráltuk, mint az új optogenetikai manipuláció célpontját.

Egy harmadik tanulmányban (Carter et al., 2010), a géntechnológiával célzott LC-NE neuronokat egy Cre rekombinázfüggő adeno-társított vírus (rAAV) sztereotaxikus injekciójával adtuk be a knock-in egerekbe, amelyek szelektíven expresszáltak Cre-t tirozin-hidroxiláz (TH) neuronokban (Atasoy et al., 2008; Tsai és mtsai. 2009). Azt tapasztaltuk, hogy mind az NpHR, mind a ChR2 funkcionális volt, és az LC-NE neuronokat egyaránt gátolhatja és aktiválhatja. in vitro és a in vivo (Ábra (Figure1B) .1B). Megállapítottuk, hogy az LC-NE neuronok optogenetikus alacsony frekvenciájú (1-10 Hz) stimulációja azonnali (kevesebb, mint 5 s) alvást és ébrenlétet váltott ki mind az SWS, mind a REM alvásból. Az LC idegsejtek stimulálása ébrenlét közben fokozta a mozgásszervi aktivitást és az ébren töltött teljes időt, megerősítve az erős arousal hatást. Ezzel ellentétben az LC-NE neuronok NpHR által közvetített elnémítása csökkentette az ébresztő epizódok időtartamát, de nem akadályozta az alvás-ébrenlét átmeneteket, amikor az állatok aludtak. Összességében ez a tanulmány kimutatta, hogy az LC-NE neuronok aktiválása szükséges az ébrenlét normális időtartamának fenntartásához (NpHR kísérlet), és elegendő ahhoz, hogy azonnali alvás-ébrenlétbe léphessen, tartós ébrenlétet és fokozott mozgásteret. Tehát azt javasoljuk, hogy az LC-NE neuronok gyors hangolási rendszerként működjenek az alvás-ébrenléti átmenetek és az általános felidézés elősegítésére. Érdekes módon azt találtuk, hogy az LC-NE neuronok tartós optikai aktivációja lokomotoros leállást vált ki (Carter et al., 2010). Az ilyen viselkedési letartóztatások közös tüneteket mutatnak a kataplexiával, katatoniával vagy viselkedési fagyasztással mind állati modellekben, mind humán betegekben (Scammell et al., 2009). A lehetséges mechanizmusok NE-kimerülést okozhatnak az LC-NE szinapszis terminálokból, vagy az agyszem motoros magjainak LC-NE-túllépésétől, amelyek bénuláshoz vezethetnek. További vizsgálatok szükségesek a mögöttes mechanizmusok feloldásához.

Legutóbbi tanulmányunkban (Carter et al., 2012), teszteltük azt a hipotézist, miszerint az LC-aktivitás a hcrt neuron hatását befolyásolja az alvás-ébrenlét átmeneteiben. Mivel a hcrt és LC idegpopulációk különálló agyi régiókban helyezkednek el, fizikailag lehetséges mindkét struktúrához egyidejűleg hozzáférni ugyanabban az állatban. Ezért kettős optogenetikus megközelítést alkalmaztunk a hcrt neuronok stimulálására, miközben SWS alvás közben egyidejűleg gátoltuk vagy stimuláltuk a noradrenerg LC neuronokat. Megállapítottuk, hogy az LC neuronok elhallgattatása a hcrt stimuláció során blokkolta a hcrt által közvetített alvás-ébrenlét átmeneteket (ábra (Figure1C) .1C). Ezzel ellentétben azt találtuk, hogy az LC neuronok ingerlékenységének növelése lépésfunkciós opszin (SFO) aktiválással - ami a célsejtek növekedését eredményezi (Berndt et al., 2009) - hcrt-stimuláció (LC-stimulációs protokoll segítségével, amely önmagában nem növeli az alvás-ébrenléti átmeneteket) fokozott hcrt-közvetített alvás-ébrenléti átmenetek (ábra) (Figure1D) .1D). Eredményeink azt mutatják, hogy az LC az inaktív időszak alatt szükséges és elegendő lefelé irányuló effektor a hcrt által közvetített SWS-to-wake átmenetekhez.

hcrt és LC-NE rendszer dinamikája

Kísérleti tanulmányaink során megfigyeltük, hogy a hcrt és az LC-NE neuronok optogenetikus manipulációja drámai módon eltérő időbeli dinamikával befolyásolja az alvás-ébrenlétet (Adamantidis et al., 2007; Carter és mtsai. 2009, 2010, 2012). A hcrt neuronok akut optikai aktiválása az 10 – 30 s időszaka alatt alvás-ébrenléti átmeneteket okoz, míg az LC neuronok stimulálása alvás-ébrenléti átmeneteket okoz kevesebb mint 5 s. Az egyik magyarázat az, hogy a hcrt neuronok a hipotalamusz-függő funkciók felfelé irányuló integrálójaként működhetnek, míg az LC-NE rendszer elsődleges effektorként működik az izgalom, a stressz és a figyelem szempontjából. Azonban a neuronális effektor rendszerek valószínűleg feleslegesek, és a bemenetek külön csoportjai aktiválódnak. Ezért nem zárhatjuk ki, hogy más arousal rendszerek, mint például a központi hisztaminerg és kolinerg rendszerek blokkolása más kísérleti körülmények között is súlyosan befolyásolja a hcrt által indukált viselkedési állapotátmeneteket.

A rövid távú hatások mellett érdekes, hogy a hcrt neuronok 1 – 4 h tartós (azaz félig krónikus) fotostimulációs kísérletei megnövelték az alvás-ébrenlét átmeneteket az ébrenlét teljes időtartamának megváltoztatása nélkül, míg a hosszú távú Az LC-NE neuronok fotostimulációja jelentősen megnövelte az éberség időtartamát. Ezek az eredmények arra engednek következtetni, hogy a hcrt rendszer szabályozhatja az alvás ébresztő határait, míg az LC-NE neuronok inkább az ébrenlét időtartamát szabályozzák a kortikális membránpotenciál növelésével és a kortikális EEG szinkronizálásával.

A hcrt neuronok hipotalamikus lokalizációja azt jelenti, hogy ezek a sejtek kiemelkedő izgalmas szerepet töltenek be a homeosztatikus folyamatok során, beleértve a szexuális viselkedést, az élelmiszer-táplálkozást, a stressz-reagálást és a motivációt. Az ébrenlét szabályozása mellett az élesítési rendszerek is részt vesznek a jutalom-kereső magatartásban, a szexuális tevékenységben, a repülés vagy a harcban adott válaszokban, stb. túlélés. Például az LC-NE rendszer aktiválása növeli az éberséget és szorongásszerű viselkedést okoz (Itoi és Sugimoto, 2010). Ezzel szemben a neuropeptid S (NPS) rendszer, az LC-hez ventrálisan korlátozott neuronális populáció által termelt peptid is növeli az izgalmat, de csökken szorongás (Pape et al., 2010). Ily módon a különböző viselkedési funkciók támogatásához az arousal áramköröknek magas szintű specifikációt kell elérniük, esetleg afferens és efferens kapcsolataik szelektív szétválasztásával, az adók / modulátorok felszabadító képessége és koherens aktivitása mások felkiáltó áramkörével.

Perspektívák

Az elmúlt öt évben az optogenetika, a géntechnológiával módosított egérmodellek és az alvás EEG / EMG elemzésének kombinációja egyedülálló és hatékony eszközkészletet adott a hcrt és az LC rendszerek hozzájárulásának további megértéséhez, valamint más neuronpopulációk, amelyek szabályozzák az alvás és az ébrenlét fokát. Az optogenetikai szondák más agyi neuronpopulációkra történő irányítása meghatározza egyéni és kombinált szerepüket az alvás / ébrenlét határaiban. Ezenkívül ezek az eszközök lehetővé teszik számunkra, hogy az anatómiai vetületek, a szinaptikus neurotranszmisszió és az adó felszabadulásának dinamikája alapján meghatározzuk az ébrenléti állapotok mögött álló agymechanizmust. Ezeknek az áramköröknek a nagy időbeli pontossággal (<1 s) történő célzása és szelektív manipulálása képes tovább vizsgálni szerepüket a viselkedés széles spektrumában, mint például az étkezés, a függőség, a stressz, a figyelem és a szexuális izgatás. Végül ezek a tanulmányok megfejtik a pszichiátriai rendellenességek, például krónikus szorongás, függőség, figyelemhiány és depresszió kóros fiziológiai mechanizmusait.

Köszönetnyilvánítás

Referenciák