hypocretin과 LC-NE 뉴런의 기능적 배선 : 각성에 미치는 영향 (2013)

추상

수면과 각성은 동물계 전체에 걸쳐 초음파 및 일주기 주기로 순환하는 상호 배타적 인 두 상태입니다. 깨달음은 동물이 환경을 인식하고 상호 작용할 수있는 의식적인 상태입니다. 장기간의 각성 후, 수면 압력이 증가하고 수면 시작으로 이어지고, 이는 고정 관념 자세 및 더 높은 감각 역치와의 상대적 비 활동 기간으로 특징 지워진다.

포유류에서 수면은 일반적으로 저속 파 수면 (SWS 또는 인간의 NREM 수면)과 빠른 안구 운동 (REM) 수면 ( "역설적 수면"이라고도 함)으로 나뉩니다. Wakefulness, SWS 및 REM 수면은 정확한 뇌파 (EEG) 및 근전도 (EMG) 기능으로 정의 할 수있는 별개의 행동 상태입니다. 깨우는 동안 저 진폭, 혼합 주파수 진동이 우세합니다. SWS는 우세 (EEG 전력 밀도로 측정)가 수면 깊이를 반영하는 고 진폭 느린 진동 (0.5–4 Hz)을 특징으로합니다. REM 수면은 빠른 혼합 주파수 진동을 특징으로하는 특이한 행동 상태이며, 그 중 세타 (5–10 Hz) 진동이 근육 아토 니아와 함께 설치류에서 우세하고 심장 및 호흡 속도의 변동이 특징입니다.

수면 상태와 각성 상태는 질적으로나 양적으로 쉽게 특성화하기 쉽지만 "각성"의 의미를 정의하는 것은 놀랍게도 어렵습니다. 각성이란 용어는 일반적으로 각성 중 경계와 경보의 정도를 나타내며 운동 활성화, 반응 증가로 나타납니다. 감각 입력, 정서적 반응성 및 향상된인지 처리.

수면-각성주기의 조직과 일반적인 각성 수준의 기초가되는 뇌 기전은 불분명하며 많은 고전적 연구는 활동이 뚜렷한 행동 상태와 상관 관계가있는 여러 뉴런 집단을 확인했습니다. 원래 행동 전이 이전에 활성 인 뉴런 (즉, 수면에서 전이 전전 활성 인 뉴런)으로 가정했습니다. 홍보 다가오는 상태, 특정 상태 (활동성 또는 수면) 동안 활성화되는 뉴런은 유지하다 그것. 이 견해는 네트워크의 뉴런이 상태 전이에 직접 책임을지지 않고 다른 더 많은 인과 뉴런에 연결되어 있기 때문에 상태 경계 관련 활동을 보여줄 수 있다는 이해에 의해 더욱 복잡해진다. 그럼에도 불구하고, 일반적으로 수면 및 / 또는 각성 상태에서 인과 적 역할을하는 신경 집단이 존재하는 것으로 추론되었다. 각성을 촉진시키는 것으로 생각되는 집단은 다음과 같습니다 : 시상 하부에서 hypocretin (hcrt –“오 독소”라고도 함)-발현 시상 하부의 뉴런, noradrenergic locus coeruleus (LC)-발현 뉴런, serotoninergic 등쪽 핵 (DRN) 뇌간에는 후방 시상 하부의 히스타민 성 결핵성 결핵성 핵 (TMN), 중뇌의 담즙 성 페 덱귤로 폰틴 (PPT) 및 후취 탈색 성 (LDT) 핵뿐만 아니라 기저 전뇌의 콜린성 뉴런 (Jones, 2003). 대조적으로, 전방 시상 하부 구조로부터의 억제 뉴런은 SWS 동안 활성화되고, 반면에 시상 하부로부터의 멜라닌-집중 호르몬 (MCH) 뉴런 및 뇌간으로부터의 글루타메이트 성 및 GABA 성 뉴런은 REM 수면 동안 활성이다 (Fort et al., 2009).

최근 몇 년 동안 우리와 다른 사람들은 다음과 같은 질문을 해결하기 위해 다양한 마우스 모델과 함께 광학 기술을 사용하기 시작했습니다. 각성 시스템은 각성 및 각성을 조절하는 방법? 특정 상황에서 각성을 촉진, 유지 또는 확대하기 위해 기능적으로 상호 작용하는 방법? 우리의 최근 연구에서, 우리는 특히 hcrt를 발현하는 뉴런에 관심이있었습니다 (de Lecea et al., 1998; 사쿠라이 등 1998). hcrt는 2 개의 신경 흥분성 펩티드이다 (de Lecea et al., 1998; 사쿠라이 등 1998) 마우스 측면 시상 하부에서 ~ 3200 뉴런에서 생성됨 (쥐 및 인간 뇌에서 각각 ~ 6700 및 50,000–80,000) (de Lecea 및 Sutcliffe, 2005; Modirrousta et al., 2005). 이들 뉴런은 피질, 변연계, 시상 하부 자체, 시상 및 뇌간 콜린성 핵으로부터의 상승하는 돌출부를 포함하는 피질 영역, 망상 형성, 중뇌 raphe 핵 및 주변 뇌 회색에 분포 된 다수의 시스템으로부터 기능적 입력을 받는다. 차례로, 이들 뉴런은 뇌의 중심을 각성시키고 보상하는 것을 포함하여 중추 신경계 전체에 걸쳐 hcrt 수용체 (OX1R 및 OX2R)를 발현하는 뉴런으로 투영한다. hcrt 뉴런의 구 심성 및 구 심성 예측은 수면 / 각성주기 조절 및 목표 지향적 행동을 포함하여 여러 시상 하부 기능에서 역할을 수행한다고 제안합니다. 흥미롭게도, 우리는 hcrt 뉴런에서 노르 아드레날린 성 LC 뉴런으로의 특정한 원심성 프로젝션이 수면-깨우기 전이 및 아마도 더 일반적인 각성의 측면을 매개한다는 것을 발견했다.

여기, 우리는 hcrt와 LC 뉴런이 각성 상태 전이 및 유지를 유발한다는 가설을 테스트하는 최근의 optogenetic 실험을 요약합니다 (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). 먼저, 우리는 전통적인 유전학 및 약리학 기술을 사용하여 이러한 시스템에 대한 이전 보고서를 간략하게 강조하고 요약합니다. 다음으로, 우리는 광 이동 프로브를 사용하여 자유롭게 움직이는 마우스에서 이러한 시스템을 선택적으로 자극하거나 억제하는 자체 결과를 통합합니다. 마지막으로, 우리는 해결되지 않은 질문에 대해 논의하고 각성 회로의 미래의 해부학 적 및 기능적 해부에 대해 추측합니다.

위선, 각성 및 기면증

hcrt 뉴런은 일반적으로 조용한 깨우기, SWS 및 REM 수면 중에는 침묵하지만 능동 깨우기 및 REM 수면-깨우기 전이 동안 높은 방출 속도를 보입니다 (Lee et al., 2005; Mileykovskiy 등 2005; 다카하시 등 2008; Hassani et al., 2009). 또한, 환경 자극 (예를 들어, 청각 자극)에 의해 유발되는 각성 동안 높은 배출 속도를 나타낸다 (Takahashi et al., 2008) 및 목표 지향적 행동 (Mileykovskiy et al., 2005; 다카하시 등 2008). 이 연구는 hcrt 뉴런이 다양한 목표 지향적 행동 동안 관찰되는 증가 된 경보뿐만 아니라 수면-깨우기 전이에 참여한다는 것을 시사한다.

hcrt 신호 전달의 차단 또는 억제는 생쥐, 랫트, 개, 인간 및 가능하면 제브라 피쉬에서 행동 상태의 완전성에 대한 hcrt의 필요성을 보여줍니다 (Sakurai, 2007; 요코가와 등 2007). 실제로 가장 강력한 기능 상실 증거는 hcrt 결핍과 기면증 증상 사이의 연관성에서 비롯됩니다 (Peyron et al., 2000; Saper et al., 2010). 이화 증이있는 마비 환자는 hcrt 시상 하부의 유전자 전 사체와 뇌척수액에서 거의 또는 거의 감지 할 수없는 hcrt 수준 (Thannickal et al., 2000; 사쿠라이, 2007; 요코가와 등 2007). 도베르만 수면제 개는 돌연변이를 OX2R유전자 변형 된 설치류 및 hcrt, OX2R또는 hcrt 세포는 기면증의 특징 인 대변인과 유사한 행동 정지를 나타냅니다 (Jones, 2003; 사쿠라이, 2007; 세갈과 미 노트, 2011). 중요한 것은 hcrt 유전자 발현은 마우스에서 기면증 증상을 완화시켰다 (Liu et al., 2011; Blanco-Centurion et al., 2013).

hcrt 펩티드 또는 hcrt 작용제의 뇌내 뇌실 (icv) 주입은 깨어있는 시간의 증가와 SWS 및 REM 수면의 감소를 유발합니다 [Sakurai의 검토 (2007)]. LC, LDT, 기초 전뇌 또는 측면 시상 하부에서의 펩티드의 정위 주사는 종종 SWS 및 REM 수면의 현저한 감소와 관련된 깨달음 및 운동 활동을 증가시켰다 (Hagan et al., 1999). 보다 최근에, hcrt 뉴런에서만 선택적 GABA-B 수용체 유전자 결실을 사용하는 hcrt 뉴런의 유전자 억제는 총 수면 / 각성 지속 시간 또는 징후에 이상을 나타내지 않으면 서 밝은 기간과 어두운 기간 동안 수면 / 각성 상태의 심각한 단편화를 유도 하였다. 대변의 (Matsuki 등, 2009). 종합적으로, 이들 데이터는 기면증의 동물 모델에서 수면 및 깨우기 상태의 단편화에 의해 나타낸 바와 같이, hcrt 펩티드가 수면 상태와 깨우기 상태 사이의 경계를 정의하는데 중요하다는 것을 시사한다.

hcrt 펩티드의 생물학적 기능이 적절한 각성과 수면을 유지하는 데 필요하다는 것이 널리 문서화되어 있지만, 두 hcrt 수용체 인 OX1R 또는 OX2R 중 어느 것이 각성 및 수면 안정성에 대한 hcrt의 영향에 생물학적으로 책임이 있는지는 명확하지 않습니다. 그리고 근긴장 조절. OX1R mRNA는 많은 뇌 영역, 특히 LC, raphe nuclei, LDT에서 발현되지만 OX2R mRNA는 뇌 피질, raphe nuclei, dorsomedial 및 posterior (tuberomammillary nucleus) 시상 하부 (Trivedi et al., 1998; 마커스 등 2001; Mieda et al., 2011). 따라서, 각성 및 NREM 수면 대 제어는 OX2R에 결정적으로 의존하는 것으로 제안되었다 (Mochizuki et al., 2011) REM 수면의 조절 곤란 (기면 발작-캐타 플렉스)은 OX1R과 OX2R 둘 다를 통한 신호 손실로 인해 발생한다 (Mieda et al., 2011). 그러나 기면증의 조절, 특히 격변 및 수면 공격에 미치는 영향은 불분명합니다. 유전성 기면증이있는 개는 OX2R 유전자 (Lin et al., 1999) 및 해당 마우스 모델 OX2R KO 마우스는 개보다 덜 심각한 증상을 보입니다 (Willie et al., 2003). OX1R은 각성 규제에 참여하지만 (Mieda et al., 2011), 기면증 증상에 대한 기여는 더욱 특성화되어야한다.

중요하게도, 다른 흥분 시스템에서의 활동은 격변하는 동안 강하게 교란됩니다. LC 뉴런은 배출을 중단한다 (Gulyani et al., 1999) 및 세로토닌 성 뉴런의 활성이 현저히 감소합니다 (Wu, 2004), 편도체에 위치한 세포 (Gulyani et al., 2002) 및 TMN은 증가 된 소성 수준을 보여 주었다 (John et al., 2004). 이 연관성은 OX1R (LC, raphe) 및 OX2R (TMN, raphe)이 적절한 근육 톤 유지에 관여 함을 시사합니다. 최근의 연구는 또한 수면제 마우스에서 이화 작용을 유발하는 변경된 콜린성 시스템의 역할을 강조했다 (Kalogiannis et al., 2011, 2010). 따라서 중요하고 해결되지 않은 목표는 hcrt 뉴런의 기능적 배선과 hcrt 터미널의 시냅스 방출 역학을 식별하여 다운 스트림 프로젝션을 정확하게 묘사하는 것입니다 (de Lecea et al., 2012) 각성, ​​수면 상태, 근육 톤 및 목표 지향적 행동을 제어합니다.

궤적 coeruleus, 노르 에피네프린 및 각성

LC는 4에 인접 해 있습니다^th 뇌간에있는 심실이며 모노 아민 노르 에피네프린 (NE)을 합성하는 뉴런을 포함합니다. 1 개의 다른 세포 집단도 NE (A2, A5, A7 및 A50 세포 그룹)를 생성하지만 LC는 뇌의 전체 NE의 ~ 1 %를 생성하며 피질의 유일한 공급원입니다. 뇌 전체에 기능적 NE 수용체가 많이 있으며, α2 및 β 수용체는 일반적으로 흥분성 시냅스 후 전위를 유발하고 α2 수용체는 일반적으로 억제 성 시냅스 후 전위를 유발합니다. αXNUMX 수용체는 LC 뉴런 (Berridge and Waterhouse, 2003) 자체적이며 본질적인 활동을 억제하는 억제 성자가 수용체 역할을합니다.

깨어있는 동물의 기록에 따르면 LC 뉴런은 깨어있는 상태에서 1–3 Hz에서 음조로 발사되고 SWS 수면 중에는 덜 화염하며 REM 수면 중에는 거의 조용하지 않습니다 (Aston-Jones and Bloom, 1981; 존스, 2003; Saper et al., 2010). LC는 또한 자극 지속 시간을 증가시킬 수있는 두드러진 자극이 나타나는 동안 8–10 Hz의 짧은 버스트에서 위상 적으로 발생합니다. hcrt 뉴런과 마찬가지로, 방전 속도의 변화는 수면-깨우기 전이 (Aston-Jones and Bloom, 1981), 이들 세포는 각성 또는주의로의 전이에 중요하다는 것을 시사한다.

흥미롭게도, LC의 물리적 병변은 피질 EEG 또는 각성 행동 지수의 일관된 변화를 유발하지 않습니다 (Lidbrink, 1974; Blanco-Centurion et al., 2007). NE 합성에 필요한 효소 인 도파민 베타-하이드 록 실라 제의 유전자 제거도 수면 상태를 방해하지 않는다 (Hunsley et al., 2006). 이것은 대뇌 피질 활동과 보상 발달 메커니즘을 각각 지원하는 LC 구조 외부의 여분의 신경 회로의 존재를 시사한다. 그러나 α1 및 β 노르 아드레날린 성 수용체의 약리학 적 길항제 (Berridge and España, 2000) 또는 억제 α2자가 수용체의 작용제 (De Sarro et al., 1987)는 진정 효과가 있습니다. 뇌실 또는 뇌로 직접 NE를 중앙 집중적으로 투여하면 각성이 촉진됩니다 (Segal 및 Mandell, 1970; 깜박임과 간헐천, 1982). 콜린성 작용제 (베타 네콜)의 국소 미세 주사를 사용하여 LC에서 뉴런의 자극은 할로 테인-마취 된 랫트 (Berridge and Foote, 1991). 최근 LC-NE 시스템은 수면 상태 (Constantinople 및 Bruno, 2011). 종합하면, 이들 연구는 LC-NE 시스템이 대뇌 피질 활성을 비 동기화하고 각 피질 막 전위를 증가시켜 각성을 증가 시킨다는 것을 암시한다.

HCRT의 광유 전적 해부 및 각성의 LC-NE 조절

hcrt 및 LC-NE 뉴런의 활성은 수면-깨우기 전이와 관련이 있지만, 수면 또는 깨어남 에피소드와 관련된 일시적인 해결책으로 특정 hcrt 및 LC-NE 집단을 선택적으로 자극하거나 억제하고 달성하기가 어렵습니다. 주변 세포 또는 통로 섬유에 영향을 미치지 않으면 서 이들 세포를 조사하기위한 공간 선택성. 깨달음의 신경 회로의 시간적 역학을 더 잘 이해하기 위해 최근에 자유롭게 움직이는 동물에서 hcrt와 LC 뉴런의 활동을 가역적으로 선택적으로 조작하기 위해 광 유전학을 적용했습니다 (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Optogenetics는 액추에이터 opsin 분자 (예 : channelrhodopsin-2 (ChR2) 또는 halorhodopsin-NpHR)를 사용하여 특정 파장에서 빛이 번쩍이는 유전자 표적 세포를 선택적으로 활성화하거나 침묵시킵니다 (Boyden et al., 2005). 옵토 제닉 기술에 대한 추가 정보는 다른 우수한 리뷰에서 찾을 수 있습니다 (Zhang et al., 2006; 미 ese 느, 2009; Scanziani와 Häusser, 2009; Yizhar 등, 2011; Deisseroth, 2012).

hcrt 또는 LC 뉴런에 이들 액츄에이터를 전달하기 위해, 본 발명자들은 세포 형 특이 적 프로모터의 제어하에 각각 lentiviral 및 cre- 의존 아데노 관련 바이러스 (AAV) 유전자 전달 도구를 사용 하였다 (Adamantidis et al. 2007). hcrt 또는 LC 필드에 빛을 전달하기 위해, 우리는 다른 곳에서 설명 된 것처럼 광섬유가 마우스 두개골에 만성적으로 이식되는 광학 신경 인터페이스를 설계했습니다 (Adamantidis et al., 2005, 2007; Aravanis et al., 2007; Zhang et al., 2010). 이 전략을 사용하여 hcrt 신경 활동을 제어 할 수있었습니다. 체외에서 및 생체내에서 밀리 초 정확한 광학 자극을 갖는 것 (Adamantidis et al., 2007). 자극의 높은 시간적 및 공간적 정밀도는 우리가 하이포크 레틴 뉴런 방출 속도 (1-30 Hz)의 생리 학적 범위를 모방 할 수있게 해주었다 (Hassani et al., 2009). 실제로, 우리는 hcrt 뉴런의 실제 주파수 분석에 대한 매개 변수를 기반으로 한 optogenetic 자극을 위해 광 펄스 트레인을 사용했습니다. 생체내에서 (이것은 아래에 설명 된 LC-NE 뉴런의 광 생성 조절에도 적용됩니다). 우리는 hcrt 뉴런의 직접적인 일방적 인 광학 자극이 SWS 또는 REM 수면에서 깨달음으로의 전환 가능성을 증가 시켰음을 발견했습니다 (그림 (그림 1A) .1A). 흥미롭게도, 고주파 광 자극 (5–30 Hz 광 펄스 트레인)은 깨달음에 대한 대기 시간을 줄인 반면 1 Hz 트레인은 그렇지 않았으며, 이는 신경 전달 물질 (glutamate)과 터미널에서 hcrt 또는 dynorphin을 포함한 신경 조절기의 주파수 의존적 시냅스 방출을 시사합니다. 우리는 또한 hcrt 뉴런을 자극하는 효과가 OX1R 길항제의 주사 또는 hcrt 유전자의 유전자 결실에 의해 차단 될 수 있음을 보여 주었다. 이들 결과는 hcrt- 발현 뉴런으로부터의 hcrt 방출이 이들 뉴런의 깨우기 촉진 특성에 필요하다는 것을 보여준다. 중요하게도, 이러한 결과는 이전 상관 연구와 일치하여 hcrt 뉴런 활성화와 수면-깨우기 전이 사이의 인과 적 연결을 보여줍니다. 이것은 hcrt 뉴런의 광학 침묵이 SWS를 촉진한다는 사실에 의해 더욱 뒷받침되었다 (Tsunematsu et al., 2011).

 

그림 1

뇌의 각성 회로의 광 유전 해부. (에이) ChR2로 hcrt 뉴런을 자극하면 10 Hz에서 1 Hz에서 잠자기 대기 시간이 감소합니다 (Adamantidis et al., 2007). (B) ChR2로 LC 뉴런의 자극은 즉각적인 원인 ...

이 결과는 최근 사사키와 협력자들에 의해 확인되었다 (Sasaki et al., 2011), hcrt 신경 활동을 활성화하고 억제하기 위해 디자이너 약물 (DREADD)에 의해 독점적으로 활성화 된 디자이너 수용체 (Designer Receptors)라는 약리학 적 방법을 사용했습니다. DREADD 기술은 몇 시간의 시간적 해상도로 신경 활동의 이중 모드 변조를 가능하게합니다 (Dong et al., 2010). 그들은 hcrt 신경 활동의 활성화가 깨어남을 증가시키는 반면 hcrt 활동의 억제는 SWS를 촉진한다는 것을 발견했다.

두 번째 연구에서 (Carter et al., 2009), 우리는 수면 전이의 hcrt 제어가 수면 항상성 과정의 의존하에 있음을 입증했다. 그러나, hcrt의 옵토 제닉 자극의 효과는 히스타민 데카르 복실 라제 녹아웃 마우스 (히스타민을 합성 할 수없는 마우스)에서 지속되었는데, 이는 히스타민 시스템이 hcrt의 효과에 책임이 있다는 다른 표적을 시사한다. 마지막으로, 우리는 LC 뉴런과 같은 다운 스트림 각성 센터가 hcrt 광 자극 자극에 대한 반응으로 그들의 활동을 증가 시켰음을 보여 주었다 (c-Fos 표현에 의해 측정 됨). 이전 연구는 LC NE 뉴런에 대한 hcrt의 흥분 효과를 보여 주었기 때문에 (Bourgin et al., 2000), 우리는 hcrt-LC 연결을 조사하고 optogenetic 조작을위한 새로운 목표로서 noradrenergic LC에 대한 우리의 실험적 조사에 중점을 두었습니다.

세 번째 연구 (Carter et al., 2010), 티로신 하이드 록 실라 제 (TH) 뉴런에서 Cre를 선택적으로 발현하는 녹인 마우스에 Cre 재조합 효소-의존 아데노-관련 바이러스 (rAAV)의 정위 주사에 의해 LC-NE 뉴런을 유 전적으로 표적화 하였다 (Atasoy et al., 2008; Tsai et al., 2009). 우리는 NpHR 및 ChR2 둘 다 기능적이고 LC-NE 뉴런 둘 다를 억제하고 활성화 할 수 있다는 것을 발견했습니다 체외에서 및 생체내에서 (그림 (그림 1B) .1B). 우리 LC-NE 뉴런의 optogenetic 저주파 (1–10 Hz) 자극 SWS와 REM 수면에서 즉시 (5 s 미만) 잠에서 깨어 전환을 발생 발견. 깨어있는 동안 LC 뉴런의 자극은 운동 활동을 증가 시켰고 깨어있는 총 시간은 강한 각성 효과를 확인했다. 대조적으로, LC-NE 뉴런의 NpHR- 매개 침묵 화는 웨이크 에피소드의 지속 기간을 감소 시켰지만 동물이 잠들었을 때 수면-깨우기 전이를 차단하지는 않았다. 함께 찍은,이 연구는 LC-NE 뉴런의 활성화는 정상적인 깨어의 지속 시간을 유지하는 데 필요하고 (NpHR 실험), 즉각적인 수면-깨우기 전이, 지속적인 깨어남 및 증가 된 운동 자극을 유발하기에 충분하다는 것을 보여 주었다. 따라서, 우리는 LC-NE 뉴런이 수면-깨우기 전이 및 일반적인 각성을 촉진하기 위해 빠른 튜닝 시스템으로 작용할 것을 제안했다. 흥미롭게도, 우리는 LC-NE 뉴런의 지속적인 광학 활성화가 운동 정지를 유도한다는 것을 발견했다 (Carter et al., 2010). 이러한 행동 정지는 동물 모델과 인간 환자 모두에서 cataplexy, catatonia 또는 행동 동결과 공통 증상을 공유합니다 (Scammell et al., 2009). 가능한 메카니즘은 LC-NE 시냅스 터미널로부터의 NE 고갈 또는 마비를 유발할 뇌간 운동 핵의 LC-NE과 여자와 관련 될 수 있습니다. 기본 메커니즘을 풀기 위해서는 추가 연구가 필요합니다.

가장 최근의 연구에서 (Carter et al., 2012), 우리는 LC 활동이 수면에서 깨어나는 전환에 대한 hcrt 뉴런의 효과를 게이트한다는 가설을 테스트했습니다. hcrt 및 LC 신경 집단은 별개의 뇌 영역에 위치하기 때문에 동일한 동물에서 두 구조에 동시에 접근하는 것이 물리적으로 가능합니다. 따라서 우리는 SWS 수면 중에 노르 아드레날린 성 LC 뉴런을 동시에 억제하거나 자극하면서 hcrt 뉴런을 자극하기 위해 이중 광 유전 학적 접근 방식을 취했습니다. 우리는 hcrt 자극 동안 LC 뉴런을 침묵시키는 것이 hcrt 매개 수면에서 깨어나 기 전환을 차단한다는 것을 발견했습니다 (그림 (Figure1C) .1C). 대조적으로, 본 발명자들은 표적 세포의 증가 인 단계-기능 옵신 (SFO) 활성화를 통해 LC 뉴런의 흥분성을 증가시키는 것을 발견 하였다 (Berndt et al., 2009) —hcrt 자극 동안 (자체로 수면 모드 전환을 증가시키지 않는 LC 자극 프로토콜 사용) hcrt 중재 수면 모드 전환 향상 (그림 (Figure1D) .1D). 종합하면, 본 발명의 결과는 LC가 비활성 기간 동안 hcrt- 매개 SWS-to-wake 전이를위한 필요하고 충분한 다운 스트림 이펙터 역할을한다는 것을 보여준다.

hcrt 및 LC-NE 시스템 역학

우리의 실험 연구에서, 우리는 hcrt와 LC-NE 뉴런의 optogenetic 조작이 극적으로 다른 시간 역학으로 수면-깨우기 전이에 영향을 미친다는 것을 관찰했다 (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). hcrt 뉴런의 급성 광학 활성화는 10–30의 기간 동안 수면-깨우기 전이를 유발하는 반면 LC 뉴런의 자극은 5보다 적은 수면-깨우기 전이를 유발합니다. 하나의 설명은 hcrt 뉴런이 시상 하부 관련 기능 동안 각성의 상류 적 분자로서 작용할 수있는 반면 LC-NE 시스템은 각성, 스트레스 및주의에 대한 주요 이펙터로서 작용한다는 것이다. 그러나 뉴런 이펙터 시스템은 별도의 입력 세트에 의해 중복되고 활성화 될 수 있습니다. 따라서, 중앙 히스타민 성 및 콜린성 시스템과 같은 다른 각성 시스템을 차단하는 것이 다른 실험 조건에서 hcrt- 유도 된 행동 상태 전이에 심각하게 영향을 미칠 것이라는 것을 배제 할 수 없다.

이러한 단기적 효과 외에도 ~ xNUMX ~ 1h의 hcrt 뉴런에 대한 지속적인 (즉, 반만성) 광 자극 실험이 깨어남의 총 지속 시간을 변경하지 않고 수면-깨우기 전이를 증가시키는 것이 흥미 롭습니다. LC-NE 뉴런의 광 자극은 각성 지속 시간을 유의하게 증가시켰다. 이 결과 hcrt 시스템 수면 깨어 경계를 조절할 수 있지만 LC-NE 뉴런 대뇌 피 질의 막 잠재력을 증가 하 고 대뇌 피 질의 뇌 파를 비동기 하여 깨어 지속 시간을 제어 할 수 있습니다 것이 좋습니다.

hcrt 뉴런의 시상 하부 위치 화는 이들 세포가 성행위, 음식 위조, 스트레스 반응 및 동기 부여를 포함하여 항상성 과정 동안 현저한 각성 역할을 함을 의미한다. 각성 시스템은 각성 제어 외에도 보상 추구 행동, 성적 활동, 비행 또는 싸움 반응 등에 참여합니다.이 중복성은 진화와 다양한 뇌 메커니즘을 통해 각성 기능을 통합하여 필요한 각성 및 각성 관련 행동을 지원할 수 있습니다. 활착. 예를 들어, LC-NE 시스템의 활성화는 각성을 증가시키고 불안과 같은 행동을 유발합니다 (Itoi 및 Sugimoto, 2010). 대조적으로, LC에 대한 제한된 뉴런 집단 복부에 의해 생성 된 펩타이드 인 뉴로 펩타이드 S (NPS) 시스템은 또한 흥분을 증가 시키지만 감소하다 불안 (Pape et al., 2010). 따라서, 이러한 다양한 행동 기능을 지원하기 위해 각성 회로는 아마도 구 심성 및 성향 성 연결의 선택적 구획화, 송신기 / 변조기 기능 및 다른 각성 회로와의 일관된 활동을 통해 높은 수준의 사양에 도달해야합니다.

관심

지난 1 년 동안 광 유전학, 유전 공학 마우스 모델 및 수면에 대한 EEG / EMG 분석의 조합은 hcrt 및 LC 시스템이 각성 및 각성에 기여하는 것을 더 잘 이해할 수있는 독특하고 강력한 도구 세트를 제공했습니다. 수면과 각성을 조절하는 다른 뉴런 집단. 광 유전 학적 프로브를 뇌의 다른 뉴런 집단에 타겟팅하면 수면 / 각성 경계에서 개별 역할과 결합 된 역할이 결정됩니다. 또한 이러한 도구를 사용하면 해부학 적 투영, 시냅스 신경 전달 및 송신기 방출의 역학을 기반으로 웨이크 상태의 기본이되는 뇌 메커니즘을 결정할 수 있습니다. 높은 시간 정밀도 (<XNUMX 초)로 이러한 회로를 타겟팅하고 선택적으로 조작 할 수있는 능력은 음식 섭취, 중독, 스트레스, 주의력 및 성적 흥분과 같은 광범위한 행동에서 그 역할을 조사 할 가능성을 추가로 허용합니다. 궁극적으로 이러한 연구는 만성 불안, 중독, 주의력 결핍 및 우울증과 같은 정신 질환의 병태 생리 학적 메커니즘을 밝혀 낼 수 있습니다.

감사의

참고자료