Hagnýtt raflögn hypocretin og LC-NE taugafrumna: Áhrif á vökva (2013)

Abstract

Svefn og vakandi eru tvö ríki, sem eru innbyrðis útilokuð, sem hjóla bæði á ultradian og circadian tímabilum um allt dýraríkið. Vakning er meðvitað ástand þar sem dýr getur skynjað og haft samskipti við umhverfi sitt. Eftir langvarandi vakandi tíma eykst svefnþrýstingur og leiðir til þess að svefn byrjar sem einkennist sem tímabil tiltölulegrar óvirkni með staðalímyndunarstöðu og hærri skynþröskuld.

Hjá spendýrum er svefni yfirleitt skipt í hægbylgju svefn (SWS, eða NREM svefn hjá mönnum), og skjótur augnhreyfing (REM) svefn (einnig kallað „þversagnakenndur svefn“). Vakni, SWS og REM svefn eru sérstök atferlisástand sem hægt er að skilgreina með nákvæmum rafsegulfræðilegum (EEG) og rafsegulfræðilegum (EMG) eiginleikum. Meðan á vakningu stendur er sveifla með lága amplitude, blandað tíðni. SWS einkennist af hægum sveiflum í sveiflum með miklum amplitude (0.5 – 4 Hz) sem hefur yfirburði (eins og það er mælt með EEG aflþéttni) endurspeglar svefndýptina. REM svefn er einstakt atferlisástand, sem einkennist af hraðari, blönduðum tíðni sveiflum, þar á meðal sveiflum theta (5 – 10 Hz) í nagdýrum, ásamt vöðvasjúkdómum, svo og sveiflur í hjarta og öndunartíðni.

Þrátt fyrir að auðvelt sé að lýsa ástandi svefns og vakandi er eðli og megindlega eðli, þá er það furðu erfitt að skilgreina hvað er átt við með „örvun.“ Hugtakið örvun vísar venjulega til árvekni og árvekni meðan á vakningu stendur, sem birtist sem aukin hreyfifræðsla, svörun að skynmætum aðföngum, tilfinningalegum hvarfgirni og aukinni vitsmunalegri vinnslu.

Heilakerfið sem liggur til grundvallar skipulagningu svefnvakningarlotunnar og almennrar örvunar er enn óljóst og margar klassískar rannsóknir hafa bent á fjölda íbúa taugafrumna sem hafa virkni í samræmi við mismunandi hegðunarástand. Upphaflega var gert ráð fyrir að taugafrumur sem eru virkar áður en hegðunarbreytingar (þ.e. taugafrumur sem eru virkar áður en svefn-til-vakna umskipti) stuðla komandi ástand, meðan taugafrumur sem eru virkar við ákveðið ástand (vakandi eða svefn) eru mikilvægar halda það. Þessi skoðun er flóknari vegna skilnings á því að taugafrumur í neti geta sýnt virkni tengd ríkismörkum vegna tengingar við aðrar, orsakasamlegar taugafrumur án þess að bera sjálfir ábyrgð á umbreytingum ríkisins. Engu að síður hefur yfirleitt verið ályktað að til séu taugastofnar sem gegni orsökum í svefn- og / eða örvunarástandi. Mannfjöldi sem talinn er hvetja til örvunar er meðal annars: hypocretin (hcrt - einnig kallað „orexins“) - tjáir taugafrumur í hliðar undirstúku, noradrenergic locus coeruleus (LC) sem tjáir taugafrumur í heilaætt, serótónínvirka dorsal raphe kjarna (DRN) í heilaæxlinum, histamínvirka berkjuæxlin (TMN) í aftari undirstúku, kólínvirka pedunculopontine (PPT) og laterodorsal tegmental (LDT) kjarna í miðhjálpinni, svo og kólínvirka taugafrumur í basal framheilanum (Jones, 2003). Aftur á móti eru hamlandi taugafrumur frá fremri undirstúku uppbyggingu virkar meðan á SWS stendur, en Melanin-Concentrating Hormone (MCH) taugafrumur frá hlið undirstúku, svo og glutamatergic og GABAergic taugafrumur úr heilaættinni eru virkir meðan á REM svefni stendur (Fort o.fl., 2009).

Undanfarin ár höfum við og aðrir byrjað að nota optogenetic tækni með ýmsum músamódelum til að taka á spurningum eins og Hvernig stjórna vakningarkerfi vakandi og örvandi? Hvernig eiga þau samskipti sín á milli til að stuðla að, viðhalda eða víkka vakningu í sérstöku samhengi? Í nýlegum rannsóknum okkar höfum við haft sérstakan áhuga á taugafrumum sem tjá hcrt (de Lecea o.fl., 1998; Sakurai o.fl., 1998). Hcrt eru tvö neuro-örvandi peptíð (de Lecea o.fl., 1998; Sakurai o.fl., 1998) framleidd í ~ 3200 taugafrumum í hliðar undirstúku músarinnar (~ 6700 og 50,000 – 80,000 í rottum og í heila manna), (de Lecea og Sutcliffe, 2005; Modirrousta o.fl., 2005). Þessar taugafrumur fá hagnýtur aðföng frá mörgum kerfum sem dreifast í heilaberki, útlimakerfinu, undir-barklægum svæðum þar á meðal undirstúku sjálfum, þalamus og stígandi spá frá kólínvirka kjarna heilastimilsins, myndun sjónhimnu, miðjuhjúpsins, og gráan í miðju. Aftur á móti varpa þessar taugafrumur út um miðtaugakerfið, þar með talið til að vekja og umbuna miðstöðvum heilans, að taugafrumum sem tjá hcrt viðtaka (OX1R og OX2R). Afbrigðilegar og áhrifamiklar áætlanir hcrt taugafrumna benda til þess að þær gegni hlutverki í mörgum undirstúkuaðgerðum, þar með talið að stjórna svefn / vökulotu og markmiðstengda hegðun. Athyglisvert er að við höfum komist að því að ákveðin áhrifamikil vörpun frá hcrt taugafrumum til noradrenvirkra LC taugafrumna miðla svefn-til-vökva umbreytingum og hugsanlega almennari þáttum örvunar.

Hér drögum við saman nýlegar optogenetic tilraunir sem prófa tilgátuna um að hcrt og LC taugafrumur valdi umbreytingum og viðhaldi örvunarástands (Adamantidis o.fl., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Í fyrsta lagi bendum við stuttlega á og yfirlit yfir fyrri skýrslur um þessi kerfi með hefðbundnum erfða- og lyfjafræðilegum aðferðum. Næst sameinum við eigin niðurstöður með því að nota optogenetic rannsaka til að örva eða hamla þessum kerfum í frjálsum músum sem hreyfast. Að lokum ræðum við óleystar spurningar og veltum fyrir okkur um framtíðar líffærafræðilegri og starfrænar greiningar á örvunarrásum.

Hræsni, vakandi og narcolepsy

hcrt taugafrumur eru yfirleitt hljóðlátar við rólega vakandi, SWS og REM svefn en sýna mikla útskriftarhraða meðan á virkri vakningu stendur og REM svefn-til-vakna umbreytingar (Lee o.fl., 2005; Mileykovskiy o.fl., 2005; Takahashi o.fl., 2008; Hassani o.fl., 2009). Að auki sýna þeir háan útskriftarhraða við örvun sem vakin er upp af áreiti í umhverfinu (td áheyrnarörvun) (Takahashi o.fl., 2008) og markviss hegðun (Mileykovskiy o.fl., 2005; Takahashi o.fl., 2008). Þessar rannsóknir benda til þess að hcrt taugafrumur taki þátt í svefn-til-vakna umbreytingum, sem og í aukinni árvekni sem sést við ýmsa markbundna hegðun.

Blokkun eða bæling á merki hcrt sýnir nauðsyn hcrt fyrir heiðarleika hegðunarríkja hjá músum, rottum, hundum, mönnum og mögulega sebrafiskum (Sakurai, 2007; Yokogawa o.fl., 2007). Reyndar, sannfærandi sannanir um tap á virkni koma frá tengingunni á milli hcrt skorts og einkenna narcolepsy (Peyron o.fl., 2000; Saper o.fl., 2010). Narcoleptic sjúklingar með cataplexy hafa algera fjarveru hcrt genafrit í undirstúku auk ó- eða varla greinanlegs stigs hcrt í heila- og mænuvökva (Thannickal o.fl., 2000; Sakurai, 2007; Yokogawa o.fl., 2007). Doberman narcoleptic hundar bera stökkbreytingu í OX2R, og allir erfðabreyttir nagdýr með annað hvort eyðingu hcrt, OX2R, eða hcrt frumur sýna hegðunarstopp sem líkjast cataplexy, aðalsmerki narcolepsy (Jones, 2003; Sakurai, 2007; Sehgal og Mignot, 2011). Mikilvægt er erfðabjörgun hcrt genatjáning léttir á einkennum narcolepsy hjá músum (Liu o.fl., 2011; Blanco-Centurion o.fl., 2013).

Innrennsli í mænuvökva (icv) innrennslis af hcrt peptíðum eða hcrt örvum veldur aukningu á tíma sem vakinn er og fækkun svefnsins og REM svefn [endurskoðun í Sakurai (2007)]. Stereotactic innspýting peptíðsins í LC, LDT, basal framheil eða hlið undirstungu jók vöku og hreyfingarvirkni oft tengd marktækri lækkun á SWS og REM svefni (Hagan o.fl., 1999). Nýlega, erfðafræðileg dis-hömlun á hcrt taugafrumum með því að nota sértæka GABA-B viðtaka gena eingöngu í hcrt taugafrumum, olli alvarlegri sundrungu á svefn / vökuskilyrðum bæði á ljósu og dimmu tímabilinu án þess að sýna óeðlilegt í heildar svefn- / vökutímabilum eða merkjum. um cataplexy (Matsuki o.fl., 2009). Sameiginlega benda þessar upplýsingar til þess að hcrt peptíðin séu mikilvæg til að skilgreina mörk milli svefns og vökuskilyrða, eins og sést með sundrungu svefns og vökunarástands í dýralíkönum um narcolepsy.

Þrátt fyrir að það sé víða skjalfest að líffræðileg virkni hcrt peptíða sé nauðsynleg til að viðhalda viðeigandi örvun og svefni, er enn óljóst hver af tveimur hcrt viðtökum, OX1R eða OX2R, er líffræðilega ábyrgur fyrir áhrifum hcrt á örvun, svo og svefnstöðugleika og vöðvaspennustjórnun. OX1R mRNA er tjáð á mörgum heilasvæðum, einkum LC, raphe kjarna, LDT á meðan OX2R mRNA sýnir óhefðbundið tjáningarmynstur í heilaberki, raphe kjarna, svo og borsomedial og posterior (í berkjukarli) undirstúku (Trivedi o.fl., 1998; Marcus o.fl., 2001; Mieda o.fl., 2011). Þannig hefur verið lagt til að stjórnun vakningar og NREM svefnvökunar fari gagnrýnið af OX2R (Mochizuki o.fl., 2011) meðan truflun á REM svefni (einstök fyrir narcolepsy-cataplexy) stafar af tapi á merkjasendingum í gegnum bæði OX1R og OX2R (Mieda o.fl., 2011). Hins vegar eru afleiðingar þeirra á stjórnun narcolepsy, einkum cataplexy og svefnárás, enn óljósar. Hundar með arfgengan narcolepsy bera núll stökkbreytingu í OX2R gen (Lin o.fl., 1999) og samsvarandi músamódel, the OX2R KO mýs, sýna minna alvarleg einkenni en hundarnir (Willie o.fl., 2003). Þrátt fyrir að OX1R taki þátt í stjórnun vakninga (Mieda o.fl., 2011), enn á eftir að einkenna framlag þess til einkenna narcolepsy.

Mikilvægt er að virkni í öðrum örvunarkerfum er mjög hrærð við cataplexy. LC taugafrumur hætta útskrift (Gulyani o.fl., 1999) og serótónínvirkar taugafrumur draga verulega úr virkni þeirra (Wu, 2004), meðan frumur eru staðsettar í amygdala (Gulyani o.fl., 2002) og TMN sýndi aukið skotið (John o.fl., 2004). Þessi samtök benda til þess að bæði OX1R (LC, raphe) og OX2R (TMN, raphe) séu þátttakendur í viðhaldi viðeigandi vöðvaspennu. Nýlegar rannsóknir bentu einnig á hlutverk breyttra kólínvirkra kerfa við að koma af stað kataplexí í mergslímu músum (Kalogiannis o.fl., 2011, 2010). Þess vegna er mikilvægt, óleyst markmið að greina hagnýtur raflögn hcrt taugafrumna, sem og gangverki samstillingar losunar frá hcrt skautanna til að afmarka nákvæmlega áætlanir um fráfall (de Lecea o.fl., 2012) sem stjórna örvun, svefnástandi, vöðvaspennu og markhegðun.

Locus coeruleus, noradrenalín og örvun

LC er við hliðina á 4^th slegli í heilastofni og inniheldur taugafrumur sem mynda mónóamín noradrenalín (NE). Þrátt fyrir að fjórir aðrir frumuhópar framleiði einnig NE (A1, A2, A5 og A7 frumuhóparnir), framleiðir LC ~ 50% af heildar NE heilanum og er eina uppspretta heilaberkisins. Það eru margir hagnýtir NE viðtakar staðsettir í heilanum, þar sem α1 og β viðtakar valda venjulega spennandi postsynaptískum möguleikum og α2 viðtakar valda venjulega hamlandi postsynaptic möguleika. α2 viðtakar finnast þétt á LC taugafrumum (Berridge og Waterhouse, 2003) sjálfir og þjóna sem hamlandi viðtaka til að bæla innri virkni.

Upptökur í vakandi dýrum sýna að LC taugafrumur skjóta tón í 1 – 3 Hz í vökuástandi, skjóta minna niður í SWS svefni og eru nánast hljóðlausir meðan á REM svefni stendur (Aston-Jones og Bloom, 1981; Jones, 2003; Saper o.fl., 2010). Læknirinn skýst einnig fasískt í stuttum springum af 8 – 10 Hz við kynningu á áberandi áreiti sem getur aukið lengd vakninga. Eins og hcrt taugafrumur, eru breytingar á losunartíðni undanfari breytinga á svefn-til-vakna umbreytingum (Aston-Jones og Bloom, 1981), sem bendir til þess að þessar frumur séu mikilvægar fyrir umbreytingar í vakandi eða athygli.

Athyglisvert er að líkamlegar sár á LC hvetja ekki til stöðugra breytinga á barkstera EEG eða atferlisvísitölu örvunar (Lidbrink, 1974; Blanco-Centurion o.fl., 2007). Erfðabreyting dópamín beta-hýdroxýlasa, ensíms sem krafist er til nýmyndunar NE, truflar ekki svefnvökuríki (Hunsley o.fl., 2006). Þetta bendir til þess að umfram taugarásir séu til staðar, utan ytri LC-uppbyggingarinnar, sem styðji barksteravirkni og uppbótaruppbyggingarferli, hvort um sig. Samt sem áður eru miðlægar sprautur á lyfjafræðilegum blokkum α1 og β noradrenvirkra viðtaka (Berridge og España, 2000) eða örvar hindrandi α2 sjálfvirkar viðtaka (De Sarro o.fl., 1987) hafa veruleg róandi áhrif. Miðgjöf NE beint í slegla eða framheila stuðlar að vöku (Segal og Mandell, 1970; Flökt og Geyer, 1982). Örvun taugafrumna í LC með staðbundnum örsprautum kólínvirkra örva (bethanechol) framleiðir skjótt virkjun á heila EEG í halótan svæfðum rottum (Berridge og Foote, 1991). Nýlega var sýnt fram á að LC-NE kerfið skiptir sköpum fyrir að viðhalda auknum himnufærni barka taugafrumna í vöku samanborið við svefnástand (Constantinople og Bruno, 2011). Samanlagt benda þessar rannsóknir til þess að LC-NE kerfið samstillir barksteravirkni og eykur möguleika á barkhimnu til að auka örvun.

Optogenetic dissection of hcrt and LC-NE control of arousal

Virkni hcrt og LC-NE taugafrumna er í samhengi við svefn-til-vekja umbreytingar, en það hefur verið erfitt að velja eða hamla sértækum hcrt- og LC-NE-stofnum með tímabundinni upplausn sem skiptir máli fyrir svefn- eða vakningarþætti og til að ná fram sértækum staðbundnum hlutum til að rannsaka þessar frumur án þess að hafa áhrif á nærliggjandi frumur eða leiðar trefjar. Í viðleitni til að skilja betur tímabundið gangverki taugakerfis vökvunar beittum við nýlega optogenetics til að snúa við og snúa við virkni hcrt og LC taugafrumna í dýrum sem hreyfast frjálst (Adamantidis o.fl., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Optogenetics notar stýrisopsín sameindir (td channelrhodopsin-2 (ChR2) eða halorhodopsin — NpHR) til að virkja eða þagga niður erfðafræðilega markaðar frumur, hver um sig, með ljósglampa á sérstakri bylgjulengd (Boyden o.fl., 2005). Nánari upplýsingar um optogenetic tækni er að finna í mörgum öðrum framúrskarandi umsögnum (Zhang o.fl., 2006; Miesenbock, 2009; Scanziani og Häusser, 2009; Yizhar o.fl., 2011; Deisseroth, 2012).

Til að skila þessum stýrivélum til hcrt eða LC taugafrumna notuðum við lentiviral og cre-háð adeno-tengd veiru (AAV) genaflutningartæki, hvort um sig, undir stjórn klefategundar sérstakra verkefnisstjóra (Adamantidis o.fl., 2007). Til að skila ljósi á hcrt- eða LC-reitinn hönnuðum við sjóntaugakerfisviðmót þar sem sjóntrefjar voru ígræddir í höfuðkúpu músarinnar eins og lýst er annars staðar (Adamantidis o.fl. 2005, 2007; Aravanis o.fl., 2007; Zhang et al., 2010). Með þessari stefnu gátum við stjórnað hcrt taugastarfsemi hvort tveggja vitro og in vivo með millisekúndu nákvæmri sjónörvun (Adamantidis o.fl., 2007). Hátt tímabundið og staðbundið örvun örvandi, gerði okkur kleift að líkja eftir lífeðlisfræðilegu sviði losunarhraða taugafrumna (1 – 30 Hz) (Hassani o.fl., 2009). Reyndar notuðum við léttar púls lestir fyrir optogenetic örvun okkar sem voru byggð á breytum á raunverulegri tíðnigreining hcrt taugafrumna in vivo (þetta á einnig við um optogenetic stjórnun á LC-NE taugafrumum sem lýst er hér að neðan). Við komumst að því að bein einhliða sjónörvun örvandi hcrt taugafrumna jók líkurnar á umbreytingum yfir í vakningar frá annað hvort SWS eða REM svefni (mynd (Mynd1A) .1A). Athyglisvert er að hátíðni sjónörvun (5 – 30 Hz léttar púlsbrautir) dró úr seinkuninni til vakningar en 1 Hz lestir gerðu það ekki, sem bendir til þess að tíðnisháð synaptísk losun taugaboðefnis (glutamate) og taugamótara, þar með talin hcrt eða dynorphin frá skautunum. Við sýndu ennfremur að hægt var að hindra áhrif örvandi hcrt taugafrumna með því að sprauta OX1R mótlyfi eða með erfðafræðilegri eyðingu á hcrt geninu, sem bendir til þess að hcrt peptíð miðli, að minnsta kosti að hluta, optogenetically af völdum svefn-til-vakna umbreytinga. Þessar niðurstöður sýna að hcrt losun frá hcrt-tjáandi taugafrumum er nauðsynleg til að vekja eiginleika þessarar taugafrumna. Mikilvægt er að þessar niðurstöður sýna fram á orsakasamhengi milli örvunar hcrt taugafrumna og svefn-til-vakna umbreytinga, í samræmi við fyrri fylgni rannsóknir. Þetta var enn fremur studd af því að sjón þögnun hcrt taugafrumna stuðlar að SWS (Tsunematsu o.fl., 2011).

 

Mynd 1

Optogenetic dissection á örvunarrásir í heila. (A) Örvun hcrt taugafrumna með ChR2 veldur lækkun á svefni til að vakna seinkun við 10 Hz en ekki 1 Hz (gögn frá Adamantidis o.fl., 2007). (B) Örvun LC taugafrumna með ChR2 veldur strax ...

Þessar niðurstöður voru nýlega staðfestar af Sasaki og samstarfsaðilum (Sasaki o.fl., 2011), sem notaði lyfjafræðilega aðferð sem kallast Designer Receptors Exclusiveively Activated by Designer Drugs (DREADDs) til að virkja og bæla hcrt taugavirkni. DREADD tækni leyfir bimodal mótun á taugastarfsemi með tímabundinni upplausn í nokkrar klukkustundir (Dong o.fl., 2010). Þeir komust að því að virkjun hcrt taugavirkni jók vökuna meðan bæling á hcrt virkni ýtti undir SWS.

Í annarri rannsókn (Carter o.fl. 2009), við sýndu fram á að hcrt stjórnun á svefnvökuskiptum er háð svefnherma stöðvunarferlum þar sem hcrt-miðluð svefn-til-vökva umbreytingar eru stífluð af auknum svefnþrýstingi (af völdum sviptingar). Áhrif optogenetic örvunar hcrt hélst þó í histamín decarboxylase knockout músum (mýs sem geta ekki myndað histamín) sem bendir til þess að annað markmið sem histamínvirka kerfið sé ábyrgt fyrir áhrif hcrt. Að lokum sýndum við að örvunarmiðstöðvar niður á við eins og LC taugafrumur juku báðar virkni sína (mæld með c-Fos tjáningu) sem svar við hcrt optogenetic örvun. Vegna þess að fyrri vinna sýndi örvandi áhrif hcrt á taugafrumur í LC NE (Bourgin o.fl., 2000), við könnuðum hcrt-LC tenginguna og einbeittum rannsóknarrannsóknum okkar á noradrenvirka LC sem nýtt markmið fyrir optogenetic meðferð.

Í þriðju rannsókn (Carter o.fl. 2010), við erfðum markvissum LC-NE taugafrumum með stereótaxískri innspýtingu af Cre recombinase-háðri adeno-tengdum vírus (rAAV) í knock-in mýs sem tjá sér valið Cre í tyrosine hydroxylase (TH) taugafrumum (Atasoy o.fl., 2008; Tsai o.fl., 2009). Við fundum að bæði NpHR og ChR2 voru starfræktir og gætu hindrað og virkjað LC-NE taugafrumum hvort um sig vitro og in vivo (Mynd (Mynd1B) .1B). Við komumst að því að optogenetic lág tíðni (1 – 10 Hz) örvun á LC-NE taugafrumum olli tafarlausum (innan við 5 s) svefn-til-vekja umbreytingum bæði frá SWS og REM svefni. Örvun á taugafrumum við vökvun jók hreyfingu á hreyfingu og heildartíminn sem vakinn var staðfestir sterk áhrif örvunar. Aftur á móti minnkaði NpHR-miðluð þöggun á LC-NE taugafrumum lengd vaknaþátta en hindraði ekki svefn-til-vökuskipti þegar dýr voru sofandi. Samanlagt sýndi þessi rannsókn að virkjun LC-NE taugafrumna er nauðsynleg til að viðhalda eðlilegri vakningartímabili (NpHR tilraun) og nægjanleg til að örva umsvifalegan svefn-til-vakna umbreytingar, viðvarandi vakandi og aukna hreyfingu á hreyfingu. Þannig lögðum við til að LC-NE taugafrumurnar virkuðu sem hratt stemmningarkerfi til að stuðla að svefn-til-vakna umbreytingum og almennri vakningu. Athyglisvert er að við fundum að viðvarandi sjónvirkjun á taugafrumum í LC-NE örvar hreyfihömlun (Carter o.fl., 2010). Slík hegðunarstopp deila sameiginlegum einkennum við cataplexy, catatonia eða atferlisfrystingu bæði hjá dýralíkönum og mönnum sjúklingum (Scammell o.fl., 2009). Hugsanlegar aðferðir geta falið í sér niðurbrot NE frá LC-NE synapse skautanna eða LC-NE ofnotkun á hreyfilkjarna í heilaæxlum sem leiddu til lömunar. Frekari rannsókna er nauðsynleg til að afhjúpa undirliggjandi fyrirkomulag.

Í nýjustu rannsókn okkar (Carter o.fl., 2012) prófuðum við tilgátuna um að LC virkni hlið hcrt taugafrumu áhrif á svefn-til-vakna umbreytingar. Vegna þess að taugastofnar hcrt og LC eru staðsettir á aðskildum heilasvæðum er líkamlega mögulegt að fá aðgang að báðum mannvirkjum samtímis í sama dýri. Við tókum því tvöfalda optogenetic aðferð til að örva hcrt taugafrumur meðan við hamluðum eða örvum noradrenerga LC taugafrumur meðan á SWS svefni stendur. Við komumst að því að þagga niður í LC taugafrumum við hcrt örvun hindraði hcrt miðlaðan svefn-til-vekja umbreytingu (mynd (Mynd1C) .1C). Aftur á móti komumst við að því að auka örvun LC taugafrumna með virkjun skrefs virks opsins (SFO) - sem eykur markfrumur (Berndt o.fl., 2009) —Þurrkun hcrt örvunar (með því að nota LC örvunarferðarlýsingu sem í sjálfu sér eykur ekki svefn-til-vökva umbreytingar) bættu hcrt-miðlaða svefn-til-vökva umbreytingar (mynd (Mynd1D) .1D). Samanlagt sýna niðurstöður okkar að LC þjónar sem nauðsynlegur og nægur straumrofi fyrir hcrt-miðlaða SWS-til-vekja umbreytingar á óvirka tímabilinu.

hcrt og LC-NE kerfisvirkni

Í rannsóknarrannsóknum okkar sáum við að optogenetic meðferð á hcrt og LC-NE taugafrumum hefur áhrif á svefn-til að vekja umbreytingar með verulega mismunandi tímabundinni gangverki (Adamantidis o.fl., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Bráð sjónvirkjun örvunar á taugafrumum veldur breytingum á svefni til að vakna á 10 – 30 s tímabili, en örvun á LC taugafrumum veldur svefn-til-vekja umbreytingar á minna en 5 sek. Ein skýringin er sú að hcrt taugafrumur geta virkað sem uppstreymi samþjöppunar við örvun meðan á aðgerðum tengdum undirstúku stendur meðan LC-NE kerfið virkar sem aðal áhrifavaldur til að vekja, streita og athygli. Samt sem áður eru taugakerfisverkunarkerfin óþarfi og virkjuð með aðskildum aðföngum. Þess vegna getum við ekki útilokað að hindrun annarra örvunarkerfa, svo sem miðlæga histamínvirka og kólínvirka kerfisins, myndi einnig hafa veruleg áhrif á umbreytingar á hegðunarástandi af völdum hcrt við aðrar tilraunaaðstæður.

Fyrir utan þessi skammtímaáhrif, þá er það einnig athyglisvert að viðvarandi (þ.e. hálf-langvarandi) ljóstillifunartilraunir á ~ 1 – 4 h af hcrt taugafrumum juku umbreytingar frá svefni til að vakna án þess að breyta heildarlengd vakandi, en til langs tíma ljósmyndun á LC-NE taugafrumum jók marktækt lengd vakandi tíma. Þessar niðurstöður benda til þess að hcrt kerfið gæti stjórnað mörkum vökva á svefni á meðan LC-NE taugafrumur geta frekar stjórnað vakningartímabilinu með því að auka hugsanlegan barkhimnu og desynchronisera cortical EEG.

Staðsetning undirstúku hcrt taugafrumna felur í sér að þessar frumur hafa áberandi örvunarhlutverk meðan á stöðugleikaferli stendur, þar á meðal kynhegðun, fóðrunar matur, streituviðbrögð og hvatning. Að auki stjórnun þeirra á vöku, taka örvunarkerfi einnig þátt í umbunaleitandi hegðun, kynlífi, viðbrögðum við flugi eða baráttu o.fl. lifun. Til dæmis, virkjun LC-NE kerfisins eykur áreynslu og veldur kvíða líkri hegðun (Itoi og Sugimoto, 2010). Aftur á móti eykur taugapeptíð S (NPS) kerfið, peptíð sem er framleitt af takmörkuðum taugafrumum í miðbænum við LC, einnig vekja en lækkar kvíði (Pape o.fl., 2010). Til að styðja við svo margvíslega atferlisaðgerðir verða örvunarrásir að hafa náð háu stigi forskriftar, hugsanlega með sértækum hólfun á afferent og efferent tengingum þeirra, sendar / mát losa getu og heildstæða virkni með öðrum örvunarrásum.

Perspectives

Undanfarin fimm ár hefur samsetning ljósfræðilegra efna, erfðatæknilegra músamódela og EEG / EMG greiningar á svefni veitt einstakt og öflugt verkfæri til að skilja frekar framlag hcrt og LC kerfanna til örvunar, svo og aðrar stofnar taugafrumna sem stjórna svefni og vöku. Með því að miða ljósleiðara til annarra stofna taugafrumna í heila mun ákvarða hlutverk þeirra og samanlögð hlutverk í svefni / vökumörkum. Ennfremur munu þessi verkfæri gera okkur kleift að ákvarða heilabúið sem liggur til grundvallar vakningartilfellum byggt á líffærafræðilegum framreikningum, taugaflutningi í synaptic og virkni losunar sendis. Hæfileikinn til að miða og meðhöndla sértækt þessar hringrásir með mikilli tímabundinni nákvæmni (<1 sekúndur) gerir ennfremur möguleika á að rannsaka hlutverk þeirra í fjölbreyttu atferli eins og fæðuinntöku, fíkn, streitu, athygli og kynferðislegri örvun. Að lokum geta þessar rannsóknir greitt upp lífeðlisfræðilega aðferðir geðraskana eins og langvarandi kvíða, fíkn, athyglisbrest og þunglyndi.

Acknowledgments

Meðmæli