Funktionell Verdeelung vu Hypocretin an LC-NE Neuronen: Auswierkungen op Erzéiung (2013)

mythologesch

Schlooft a Waachkeet sinn zwee mutegs Exklusiv Staaten déi Zyklus mat ultradreschen a zirkaradesche Perioden am ganze Dier Räich sinn. Wakefulness ass e bewosstste Staat, an deem en Déier kann mat senger Ëmwelt ëmsetzen an interagéieren. No längerer Period vun Ofsécherheet vergréissert de Schlofdrock a féiert zum Schlofzëmmer, deen als Zeeche vun enger relativer Inaktivitéit mat stereotypen Haltung a méi héiersensem Schwéierpunkt charakteriséiert gëtt.

An Säugetieren, Schlof ass allgemeng gedeelt a lues awell Schlof (SWS, oder NREM Schlof bei de Mënschen), a Schnell A Beweeg (REM) Schlof (och "paradoxe Schlof" genannt). Wakefulness, SWS an REM Sleep sinn ënnerschiddlech Verhalenstaates, déi duerch präzis elektroencephalographesch (EEG) a elektromyographesch (EMG) Funktiounen definéiert ginn. Während der Tëlee, déi kleng Amplituden, bewirken d'gemengt Frequenzoszillatiounen. De SWS ass duerch High-Amplitude méi schwaach Schwéngungen (0.5-4 Hz) geprägt, wou d'Virdeelung (gemengt vun der EEG Energiedensity) d'Tiefe vum Schlof reflektéiert. Den REM Sleep ass eng eenzegaarteg Verhalenstaux, déi duerch méi séier a gemëschte Schwéngungsoszillatiounen, ënnert deenen d'Theta (5-10 Hz) Oszillatiounen dominéiert, mat Muskelattion dominéiert, wéi och Schwankungen vum Häerz a vun der Atmung.

Obwuel Zorte vu Schlof a Verwierklechung qualitativ a quantitativ einfach Charakteristike sinn, ass et iwwerraschend schwiereg ze definéieren wat et mat "Erhuelung" gemeet gëtt. De Begrëff Erëffnung ass normalerweis bezuelt de Grad vun Wachtvollef an Authentizitéit während der Wëllenheet, déi als verstärkt Motivatioun aktiv ass, Reaktioun zu sensoreschen Inputen, emotional Reaktivitéit a verstäerkt kognitiv Veraarbechtung.

D'Gehirerechmechanismen, déi der Organisatioun vum Schlofzouf Zyklus an allgemengem Niveau vun Eroseksualitéit ënnersträichen, bleiwen onkloer an vill klassesch Studien hunn verschidden Populatiounen vun Neuronen identifizéiert, déi Aktivitéit mat ënnerschiddleche Verhalensregele korreléiert. Et gouf ursprénglech ugeholl datt Neuronen, déi virum Verhalensrisiko aktiv sinn (dh Neuronen aktiv virun enger Schlofzou vu Wand) Promotioun de kommende Staat, an Neuronen, déi während engem spezifesche Staat aktiv sinn (wakill oder schlofen) sinn wichteg erhalen et. Dësvisioun ass méi komplizéiert ginn duerch de Verstand datt Neuronen an engem Netz hunn d'Staatsgrenzen assoziéiert Aktivitéit ze gesinn wéinst der Konnektivitéit mat anere, méi Kausalzelen, ouni direkt Responsabilitéit fir Staatstransioune. Trotzdem ass et normalerweis gewiescht datt et neuresch Populatiounen gëtt, déi eng kausale Roll am Schlof an / oder Erregungsstaten spille. D'Populatiounen, déi geduecht sinn, d'Erhuelung ze förderen, gehéiert: den Hypocretin (hcrt-och nach "Erzoks" genannt) - Neuronen aus dem laterellen Hypothalamus auszedrécken, den noradrenergesche Locus coeruleus (LC) -expriméieren Neuronen am Hirsystem, der serotoninergic dorsal raphe nuclei (DRN) Am Gehirn ass den Histaminergie-Tuberomammilary-Nukleus (TMN) am héije Hypothalamus, de cholinergen pedunculopontine (PPT) a laterodorsal tegmentalen (LDT) -Kernen am Mëttelbunn, souwéi cholinergesche Neuronen am Basal Forebrain (Jones, 2003). Am Géigesaz, Hemmer Neuronen vun anterieller hypothalamesch Strukturen sinn aktiv während SWS, während Melanin-Konzentratioun Hormon (MCH) Neuronen aus dem lateralen Hypothalamus, och glutamatergen an GABAergesch Neuronen aus dem Brainstemm aktiv bei REM schlofen (Fort et al. 2009).

An deene leschte Joeren hu mir an anerer ugefaang mat optogeneteschen Technologien mat verschiddene Mausmodeller fir Froen ze stellen wéi zB Wéi wëllt Erpressungssysteme Reguléierung a Erfrëschung regelen? Wéi funktionnel sinn se interagéieren ze encouragéieren, z'erhalen oder erweideren an spezifesche Kontexten? An deene leschte Studien hunn mir speziell an Neuronen interesséiert déi hcrt (de Lecea et al. 1998;; Sakurai et al. 1998). Déi hcrt sinn zwee neuro-erregende Peptide (de Lecea et al., 1998;; Sakurai et al. 1998) produzéiert an 3200 Neuronen am méigleche hypothalamesche Maus (~ 6700 an 50,000-80,000 an der Rass a mënschlecht Gehir)) (de Lecea and Sutcliffe, 2005;; Modirrousta et al., 2005). Dës Neuronen kréien funktionell Inputatioune vu verschidde Systemer, déi am Cortex verdeelt ginn, limbesch System, sub-kortikalen Gebidder, wéi den Hypothalamus selwer, den Thalamus, an opsteigend Projeten vun de Gehaltser cholinergesch Nuklei, der Reticularitéit, de Mëttelmierre Raphe Kernen an d'Periaqueductal Grau. Am Géigesaz zu dësen neuronesche Projeten am Zentralnervensystem, dorënner d'Erhéijung an d'Belounungszentren vum Gehir, un Neuronen, déi hcrt Rezeptoren expriméieren (OX1R an OX2R). Déi afferent a efferent Projektioun vu hcrt Neuronen weist datt se eng Roll bei verschiddene hypothalamesche Funktiounen spiele wéi d'Reguléierung vum Schlof / Wake Cycle a Goal-orientéiert Verhalen. Interessanterweis hu mir festgestallt, datt eng spezifesch efferent Projektioun vu hcrt Neuronen zu noradrenergesche LC-Neuronen de Schlofzouwe laanscht a vläicht méi allgemeng Aspekter vun Eropheeden hunn.

Hei féiere mer den neien optogeneteschen Experimenten zesummen, déi d'Hypothese testen, datt hcrt an LC-Neuronen Erkränzungsstatioun ufroen an Ënnerhalt ze verursaachen (Adamantidis et al. 2007;; Carter et al. 2009, 2010, 2012). Als éischt, hu mir kuerz virdru Berichter iwwert dës Systemer mat traditionell genetesch a pharmakologeschen Techniken ze gesinn. Als nächstes integréiere mir eis eegen Erkenntnisser mat optueteschen Sonden fir selektiv z'eliminéieren oder ze verhënneren, datt dës Systeme mat fräi bewegen Mäusen. Endlech diskutéiere mir ongeléiste Froen a spekuléieren iwwer déi zukünfteg anatomesch a funktionnel Dissekraie vun Eruptionsschaltungen.

Hypokretins, Wakefulness an Narcolepsy

hcrt Neuronen sinn normalerweis roueg an der roueger Luucht, SWS an REM schlofen, awer weisen héich Auslaugraten bei aktivem Wecken an REM-Sleep-to-Watch Übergänge (Lee et al., 2005;; Mileykovskiy et al., 2005;; Takahashi et al., 2008;; Hassani et al., 2009). Zousätzlech si weisen héich Auslaugraten während der Erofreissioun vun Ëmweltvirusen (z. B. engem héijen Reiz) (Takahashi et al., 2008) a zilorientéiert Verhalen (Mileykovskiy et al., 2005;; Takahashi et al., 2008). Dës Studien sugestéiert datt hcrt Neuronen deelhuelen fir Schlofzouwen Iwwergangs, wéi och an der verstäerkter Achtung, déi während verschidden zielorientéiert Verhalen observéiert ginn.

D'Blockade oder d'Ënnerdréckung vun der hcrt-signalisatioun weist d'Notwendegkeet vun der Integritéit vu Verhalenszustands u Maus, Rat, Hënn, Mënschen a vläicht Zebrafishen (Sakurai, 2007;; Yokogawa et al., 2007). An der Tatsaach sinn déi zwéisendste Verloscht vun Funktoune vun der Verbindung tëscht hcrt Manktem an den Symptomer vun der Narkolepsie (Peyron et al., 2000;; Saper et al., 2010). Narcoleptesch Patienten mat Kataplexie hunn eng komplett Ofwécklung hcrt Ginn Transkripten am Hypothalamus wéi och non- oder kaum feststännege Level vu hcrt an der cerebrospinal fluid (Thannickal et al., 2000;; Sakurai, 2007;; Yokogawa et al., 2007). Dobermann Narcoleptik Hënn mat enger Mutatioun OX2R, an all genetesch entwéckelt Nagetiere mat entweder e Läschung vun hcrt, OX2R, oder hcrt Zellen déi Verhalensrisiken hunn, déi d'Kataplexie gleewen, sinn d'Mark vu Narcolepsy (Jones, 2003;; Sakurai, 2007;; Sehgal an Mignot, 2011). Important, genetesch Rettung vu hcrt D'Genexpression huet d'Narcolepsy-Symptomer bei de Mais geliwwert (Liu et al., 2011;; Blanco-Centurion et al., 2013).

Intracerebroventrikulär (ICV) Infusioun vu hcrt Peptiden oder hcrt Agonisten verursaacht eng Erhéijung vun der Zäit, déi erwächt ass an e Verloscht vun SWS an REM sleep [Iwwerpréiwung an Sakurai (2007)]. Stereotaktesch Injektioun vum Peptiden an der LC, LDT, Basal Forebrain oder dem lateralen Hypothalamus erhéicht d'Verweigerung an d'Bewegungsaktivitéit déi oft mat enger markéierter Reduktioun vun SWS an REM schlofen ass (Hagan et al. 1999). Viru kuerzem huet d'genetesch Dis-Hemmung vu hcrt-Neuronen duerch selektive GABA-B-Rezeptor-Gen-Deletioun nëmmen an hcrt-Neuronen bewierkt datt eng schlëmm Fragmentéierung vu Schlof / Wake-Staaten während der luminichteren a donkel Perioden uginn, ouni anormalitéit an totale Schlof / Enntemperaturen oder Zeechen ze weisen vu Kataplexie (Matsuki et al., 2009). Zesumme kënnen dës Donnéeën proposéieren datt d'hcrt Peptiden wichteg sinn fir Grenzen tëschent Schlof a Wake-Status ze definéieren, wéi déi Explosioun vu Schlof a Wake-Status an Déiermodeller vun Narcolepsy weisen.

Och wann et wäit dokumentéiert ass datt d'biologesch Funktioun vun hcrt Peptiden noutwendeg ass fir eng entspriechend Erhuelung a Schlof ze halen, bleift et onkloer wéi eng vun deenen zwee hcrt Rezeptoren, OX1R oder OX2R, biologesch verantwortlech ass fir d'Effekter vun hcrt op Erfaassung, souwéi d'Schlofstabilitéit. a Muskel Ton Kontroll. OX1R D'mRNA ass a ville Gehirergebidder expriméiert, besonnesch d'LC, d'Raphe Nuklei, d'LDT OX2R D'mRNA weist e komplementar Muster vum Ausdrock an cerebralen Cortex, raphe nuclei, sou wéi och dorsomedial a posterior (am Tuberomammillary-Nukleus) Hypothalamus (Trivedi et al., 1998;; Marcus et al., 2001;; Mieda et al., 2011). Dofir ass et proposéiert datt d'Kontroll vu Wackelen an NREM Schlofzouwe hänkt kräfteg op OX2R (Mochizuki et al., 2011) während d'Dysregulatioun vun REM Schläifen (Unikat zu Narcolepsy-Kataplexie) entsteet vu Verléiere vum Signalignéiere iwwer OX1R an OX2R (Mieda et al. 2011). Awer hir Implikatiounen an der Regulatioun vun Narkolepsie, besonnesch Kataplexie a Schlofattacke, bleiwen onkloer. Hënn mat erfuerderbarer Narcolepsy bréngen eng Null Mutatioun an der OX2R Gene (Lin et al., 1999) an dem entspriechenden Mausmodell de OX2R KO-Mäusen, manner Schwieregkeete bezeechent wéi déi Hënn (Willie et al., 2003). Obwuel OX1R mat der Reguléierung vun Eropel (Mieda et al. 2011), säin Afloss op d'Symptomer vun der Narkolepsie weiderhin ze charakteriséieren.

Wichteg ass Aktivitéit an aneren Erregungssystemer staark bei der Katapult. LC Neuronen entlaaschten Oflaaf (Gulyani et al., 1999) a Serotonergene Neuronen signifikant d'Aktivitéit erofhuelen (Wu, 2004), während Zellen an der Amygdal (Gulyani et al., 2002) an de TMN huet e verstäerkten Nout vu Bombardementer ze weisen (John et al., 2004). Dës Associatioun proposéiert datt och OX1R (LC, Raphe) an OX2R (TMN, Raphe) an der Erweiderung vun adäquatem Muskelhär beteiligt sinn. Déi rezent Studien hunn och d'Roll vun geännerten cholinergesche Systeme bewäert fir d'Kataplexie bei narcoleptesche Mäusen z'änneren (Kalogiannis et al., 2011, 2010). Dofir ass e wichtegt ongeléiste Ziel déi funktionell Verdeelung vun hcrt Neuronen ze identifizéieren, wéi och d'Dynamik vun der synaptescher Verëffentlechung vu hcrt-Terminals, fir d'Downstream-Projeten genee ze definéieren (de Lecea et al. 2012) déi Kontakter Erënnerung, Schlofzëmmer, Muskelstoun a objektiv orientéiert Verhalen.

De locus coeruleus, norepinephrine, an Erop

De LC ass no beim 4^th Ventrikel am Gehirfstamm an enthält Neuronen déi de Monoamin Norepinephrine (NE) synthetiséieren. Och wa véier aner Zellpopulatiounen och NE produzéieren (d'A1, A2, A5 an A7 Zellgruppen), produzéiert den LC ~ 50% vum ganzen NE vum Gehir an ass déi eenzeg Quell fir de Cortex. Et gi vill funktionell NE Rezeptoren am ganze Gehir, mat α1 an β Rezeptoren déi normalerweis excitatoresch postsynaptesch Potenzialer verursaachen an α2 Rezeptoren normalerweis verursaachen hemmende postsynaptesche Potenzialer. α2 Rezeptoren sinn dicht fonnt op LC Neuronen (Berridge a Waterhouse, 2003) selwer an als Inhibitoren Autoreceptoren déngen fir intrinsesch Aktivitéit ze unterdréien.

D'Opnamen am Wacker beweegen d'Dieren datt LC Neuronen onwuel bei der 1-3 Hz während der Waarmzoule feelen, Feeler manner während SWS schlofen an si schwanger während REM schlofen (Aston Jones a Bloom, 1981;; Jones, 2003;; Saper et al., 2010). De LC féiert och phasesch a kuerzen Ausdrock vun 8-10 Hz bei der Presentatioun vu ausgeglachene Stimulatiounen déi d'Verwuchsdauer erhéijen. Wéi hcrt Neuronen, änneren Ännere vun der Entlëschtertemperatur viru Verännerungen a Schlofzouwen Iwwergängen (Aston Jones a Bloom, 1981), wat virstellt datt dës Zellen wichteg sinn fir Iwwergäng ze veruerteelen oder oppassen.

Interessanterweis hunn kierperlech Läsionen vum LC keng konsequent Verännerungen an der kortikale EEG oder Verhalensindizes opgewisen (Lidbrink, 1974;; Blanco-Centurion et al., 2007). Genetesch Ablation vun Dopamin-Beta-Hydroxylase, en Enzym fir d'NE-Synthese noutwendeg, huet och d'Schlofzoufregiounen (Hunsley et al., 2006). Dëst schreift d'Präsenz vun der redundante neuresch Stréimung, no baussen op der LC-Struktur, d'Ënnerhalung vun der kortikale Aktivitéit an d'kompensatoresch Entwécklungsmechanismen. Zentral Injektiounen vu pharmakologeschen Antagonisten vun α1 a β-noradrenergesche Rezeptoren (Berridge an España, 2000) oder Agonisten vun Inhibitoren α2 Autoreceptoren (De Sarro et al., 1987) hunn substantiell sedativen Effekter. D'Zentraladministratioun vun NE direkt an de Ventrikelen oder Forebrain fuerdert d'Opweiderecht (Segal a Mandell, 1970;; Flicker a Geyer, 1982). Stimulatioun vun Neuronen an der LC, déi lokal lokal Mikroinjektioune vun engem cholinergesche Agonist (Bethanechol) produzéiert, produzéiert eng séier Aktivatioun vun der Forehend EEG an halothan-anästhetiséierte Ratten (Berridge a Foote, 1991). Viru kuerzem war den LC-NE-System als kritesch bezeechent ginn fir d'erhéite Membranpotenzial vun de kortikale Neuronen am Wiicht behalen ze vergläichen am Kontext vu Schlofzëmmeren (Konstantinopel a Bruno, 2011). Zesumme ginn dës Studien implizéiert datt de LC-NE-System desynchroniséiert cortikal Aktivitéit a verstäerkt de kortikale Membranpotenzial fir Erregung ze erhéijen.

Optogenetesch Dissektioun vun hcrt an LC-NE Kontroll vun Eropheilung

D'Aktivitéit vun hcrt an LC-NE Neuronen korreléiert mat Schlofzouwen Iwwergang, awer et ass schwéier schwiereg fir selektiv Aktivitéit oder Inhibitioun spezifesch hcrt an LC-NE Populatiounen ze stimuléieren oder ze hemmen mat enger zeitlecher Entschließung relevant fir Schlof oder Wakefulness Episoden, richtegen Selektivitéit ze probéieren dës Zellen ze probéieren ouni d'Ëmstann Zellen oder d'Faseren vun der Passage ze beaflossen. An enger Ustrengung fir d'zeitlech Dynamik vun neural Circuit vun der Wackelegkeet besser ze verstoen, hu mir viru kuerzem d'Optogenetik ugewand ze reversibel an selektiv manipuléiert d'Aktivitéit vun hcrt an LC-Neuronen an fräi bewegen Déieren (Adamantidis et al. 2007;; Carter et al. 2009, 2010, 2012). D'Optogenetik huet d'Opsinmoleküle (zB Kanalrhodopsin-2 (ChR2) oder Halorhodopsin-NpHR) zur selektiven Aktivéierung oder Stëmmung vun genetesch ziellaus Zellen respektéiert mat Blitzen vum Liicht bei spezifescher Wellenlänge (Boyden et al. 2005). Weider Informatiounen iwwer Optogenetikote kënne vill a gutt ausgezeechent Kritiker fonnt ginn (Zhang et al., 2006;; Miesenbock, 2009;; Scanziani a Häusser, 2009;; Yizhar et al., 2011;; Deiseroth, 2012).

Fir dës Aktuarë fir hcrt oder LC-Neuronen ze lounen, hunn mir lentiviral a kreéiert-abhängig Adeno-assoziéiert Viral- (AAV) Gen Liwwerzënnere bezuelt, ënnert der Kontroll vun speziellen Promoteren vun Zellproteine ​​(Adamantidis et al. 2007). Fir Liicht an den hcrt oder LC Feld ze liesen, entwéckele mir optesch Neural Interfaces, an deenen d'optesch Faseren op de Mausschädel chronesch implantéiert ginn, wéi et an anere Plaze geschitt ass (Adamantidis et al. 2005, 2007;; Aravanis et al., 2007;; Zhang et al., 2010). Mat dëser Strategie konnten mir hcrt neurologesch Aktivitéit ze kontrolléieren kënschtlech an an vivo mat der Millisekunde-präziser optischer Stimulatioun (Adamantidis et al., 2007). Déi héijer temporär a räuchlech Präzisioun vun der Stimulatioun erméiglecht eis d'physiologesch Palette vu Hypocretin-Neuronentlaachraten (1-30 Hz) (Hassani et al. 2009). An der Realitéit hunn eis Liichtimpulszüge fir eis optogenetesch Stimulatioun benotzt déi op Parameteren baséiert op der tatsächlecher Frequenzanalyse vun hcrt Neuronen an vivo (dat ass och richteg fir den optogeneteschen Kontroll vun den LC-NE Neuronen, déi hei beschriwwe gëtt). Mir hunn festgestallt datt direkt direkte unilateral optesch Stimulatioun vun hcrt Neuronen d'Wahrscheinlechkeet vun Iwwergängen fir d'Wakefulness vun entweder SWS oder REM schléift (Figur (Figure1A) .1A). Interessanterweis huet d'héichfrequent optesch Stimulatioun (5-30 Hz Liichtpulsbunnen) d'Latenz an d'Luuchtegkeet reduzéiert, während 1 Hz Zich net gemaach hunn, andeems en onofhängeg Synaptic Release vun Neurotransmitter (Glutamat) an Neuromodulatoren, wéi hcrt oder Dynorphin aus de Terminals. Mir hunn weider gefeelt datt d'Effekter vun stimuléierend hcrt-Neuronen duerch Injektioun vun engem OX1R-Antagonist oder duerch genetesch Deletioun vum hcrt-Gen blockéiert ginn, wat virschléit, datt hcrt Peptiden, zumindest deelweis, optogenetesch induzéiert Schlofzouwen opgoen. Dës Resultater weisen datt hcrt Freet vu hcrt-expriméiere Neuronen fir d'Wake-Promotiounseigenschaft vun dësen Neuronen néideg ass. Wichteg ass, datt dës Resultater e kausal Verbindung tëscht hcrt neuronaktivéierung a schlofen opweichten Iwwergängen, konsequent mat virdrunner Korrelativstudien. Dëst gouf och ënnerstëtzt vun der Tatsaach, datt d'optesch Silencen vun hcrt Neuronen d'SWS förderen (Tsunematsu et al. 2011).

 

Figure 1

Optogenetesch Dissektioun vun Eruptiounskreise vum Gehir. (A) D'Stimulatioun vun hcrt Neuronen mat ChR2 verursaacht eng Verloscht vun der Schlofzougkeet op 10 Hz, awer net 1 Hz (Daten aus Adamantidis et al., 2007). (B) Stimulatioun vun LC-Neuronen mat ChR2 verursaacht direkt ...

Dës Resultater goufen kierzlech vun Sasaki a Mataarbechter bestätegt (Sasaki et al., 2011), deen eng pharmakogenetesch Approche genannt Designer Receptoren benotzt huet, ausschliisslech aus Designer Drogen (DREADDs) aktivéiert, fir hcrt neural Aktivitéit aktiv ze maachen an ze dréien. DREADD Technologie erlaabt bimodale Modulation vun neuraler Aktivitéit mat enger temporärer Resolutioun vu verschiddene Stonne (Dong et al., 2010). Si hunn fonnt, datt d'Aktivatioun vun hcrrt neural Aktivitéit erhéicht huet, während d'Ënnerdréckung vun der hcrt Aktivitéit de SWS gefördert huet.

An enger zweeter Studie (Carter et al., 2009), hu mir bewisen, datt hcrt Kontroll vu Schlofzweckübergängen ënnert der Ofhängegkeet vu Schlofheem-Homo-Prozesser Prozesse sinn, well hcrt-vermittelter Schlof-to-Weck-Iwwergéigunge blockéiert ginn duerch erhéierten Duschendruck (verursacht vu Schlofendieträg). Den Effekt vun optogenetescher Stimulatioun vu hcrt behandelt an der Histamin Decarboxylase Nockoutmaus (Mais, déi Histamin net ze synthetiséieren) kënnen proposéieren datt eng aner Ziel ass datt de Histaminergie System fir den Effekt vum hcrt verantwortlech ass. Schlussendlech hu mer gemengt datt ongeschlossent Erofsëtzungszentren wéi d'LC-Neuronen hir Aktivitéit (wéi vun der c-Fos-Expression) gemooss gi war op d'hcrt optogenetesch Stimulatioun. Well d'fréier Aarbechte eng exzitatoresch Auswierkunge vu LC-Neuron (Bourgin et al. 2000), hu mir d'hcrt-LC-Verbindung erméiglecht an eis experimentell Ermëttlungen am noradrenergesche LC als neie Target zur optogenetescher Manipulatioun fokusséiert.

An enger drëtt Studie (Carter et al., 2010), gi genetesch gezielte LC-NE Neuronen duerch stereotaksesch Injektioun vun engem Cre-Rekombinase-abhängige Adeno-assoziéierten Virus (rAAV) an Kloppermaus an selektiv Expression vun Cre an Tyrosinhydroxylase (TH) Neuronen (Atasoy et al. 2008;; Tsai et al., 2009). Mir hu festgestallt datt NpHR a ChR2 funktionell waren a konnten d'LC-NE Neuronen esouguer hemmen an aktivéieren an aktivéieren kënschtlech an an vivo (Bild (Figure1B) .1B). Mir hu festgestallt, datt d'optoietechnesch Nidfrequenz (1-10 Hz) Stimulatioun vun LC-NE Neuronen direkt (manner wéi 5) Sleep-to-Wake veruersaacht wéi de SWS an de REM Schlach. Stimulatioun vun LC-Neuronë während der Wuermeskeet erhéicht d'Bewegungsaktivitéit an d'Gesamteuwen déi gewiesselt sinn, a confirméiert de staarken Erosiounseffekt. Am Géigendeel, d'NpHR-vermittelte Silencing vun LC-NE Neuronen verréngert d'Dauer vun Wecken Episoden, awer hunn d'Iwwerraschungen vun der Schlofzouf net blockéiert wann d'Déiere geschlof hunn. Duerch dës Studie huet d'Aktivatioun vun LC-NE Neuronen néideg fir d'Normalliewenszeilen vun der Wakefulness (NpHR Experiment) ze halen an ze genéissend fir direkten Schlofzouwe Weeër, indirekt Wakefulness an Erhéijung vu Bewegungsautomaten ze induzéieren. Dofir hu mir proposéiert datt d'LC-NE Neuronen als Schnellstimmsystem agoen, fir Schlofzouwen opzemaachen an allgemenge Erënnerung. Interessanterweis hu mer fonnt datt déi nohalteg optesch Aktivatioun vun LC-NE Neuronen Indemnatioun vum Locomotor verhaft (Carter et al. 2010). Dës Verhalensfuere weisen allgemeng Symptomer mat Kataplexie, Katasthenie oder Verhalensfale wéi an Tiermodellen a mënschlech Patienten (Scammell et al., 2009). Déi méiglech Mechanismen besteet aus der Ausbeeferung vun den LC-NE Synapse-Terminals oder der LC-NE-Iwwerdréckung vun de Motorsteigerunge vun der Brainsteier déi zu Lähmunge féieren. Weider Fuerschung ass erfuerderlech fir de Grondgerechteg Mechanismen z'entwéckelen.

An eiser neierst Studie (Carter et al., 2012), hu mir d'Hypothese getest datt LC Aktivitéit hcrt Neuron hir Auswierkungen op Schlof-ze-erwächen Iwwergäng mécht. Well hcrt an LC neurale Populatiounen an ënnerschiddleche Gehirregiounen lokaliséiert sinn, ass et physesch méiglech béid Strukturen gläichzäiteg am selwechten Déier ze kréien. Mir hunn dofir eng duebel optogenetesch Approche geholl fir hcrt Neuronen ze stimuléieren wärend gläichzäiteg noradrenergesch LC Neuronen am SWS Schlof inhibéiert oder stimuléiert ginn. Mir hu festgestallt datt LC-Neuronen während der hcrt Stimulatioun ze schloen hcrt-vermittelten Schlof-ze-Wake Iwwergäng blockéiert hunn (Figure (Figure1C) .1C). Am Géigesaz, hu mir festgestallt, datt d'Erhéijung vun den LC-Neuronen duerch Schrëttfunktion opsin (SFO) Aktivatioun erhéijen - déi Zuel vun Zielzellen huet (Berndt et al. 2009) - hcrt Stimulatioun (mat engem LC-Stimulatiounsprotokoll, deen selwer selwer erhéicht Schrwierwen a Liwwerung) vergréissert hcrt-vermittelt Schlof- a -weck Transsexamen (Figure (Figure1D) .1D). Gitt zesummen, eis Resultater weisen datt de LC als noutwendege an ausreichend Downstream Effector fir hcrt-vermittelte SWS-to-Wake-Iwwergunge während der inaktive Period dient.

hcrt an LC-NE Systemdynamik

Duerch eis Experimentalstudien hu mer observéiert datt d'optogenetesch Manipulatioun vu hcrt an LC-NE Neuronen d'Schlof beaflosst huet - Transversiounen mat dramatesch anerer temporärer Dynamik opzeginn (Adamantidis et al., 2007;; Carter et al. 2009, 2010, 2012). Akute optesch Aktivatioun vun hcrt Neuronen verursacht Schlofzouwe Iwwerstonnen iwwert eng Zäitperiod vu 10-30 s, während d'Stimulatioun vun LC-Neuronen Ursaache fir Schlofzouwen a manner wéi 5 s. Eng Erklärung ass datt hcrt Neuronen als en Upstream Integrateur vun Eropheeten während hypothalamesch Bezéiungen funktionnéieren, während de LC-NE-System als primär Effector fir Erëffnung, Stress an Opmierksamkeet fënnt. D'Neuronal Effector Systemer sinn awer wahrscheinlech redundante an aktivéiert vun verschiddene Inputen. Dofir kënne mir net ausgoen datt dës Blockéierung vun aner Erregungssystemer, wéi zentrale Histaminergie a Cholinergie Systemer, och hcrrt-induzéiert Verhalenssituatiounstransaktiounen an aneren experimentellen Bedingungen beaflossen.

Niewent deene kuerzfristeg Effekter ass et och interessant, datt nohalteg (dh semi-chronesch) Fotostimulatiounsexperimente vun 1-4 h hrt neuronen erhéicht Schlof a Wake iwwergaangen ass ouni d'Totalzäit vu Wandel ze änneren, während laangfristeg Photostimulatioun vun LC-NE Neuronen erhéicht de Wakefulness Dauer. Dës Resultater weisen datt d'hcrt System Reguléierung vu Schlofzouen regelen kann, während LC-NE Neuronen ewech méi kontrolléieren an d'Luuchtdauer kontrolléieren andeems d'cortikal Membranpotenzial a Desynchroniséierung vum Cortical EEG agefouert gëtt.

D'hypothalamesch Lokaliséierung vun hcrt Neuronen implizéiert datt dës Zellen e prominent Erkläublech Roll bei homo - stateschen Prozesser hunn, wéi och Sexualverhalen, Ernährung, Stressreakt a Motivatioun. Nieft hirer Kontroll vu Wackvollitéit, Erhuelungssystemer bedeelegen och Participatioun op Belounungssuchtverhale, sexueller Aktivitéit, Fliichten- oder Kampfaktiounen, etc. Dës Redundanz kann evolutive Konsequenz vun der Evolutioun hunn an diversifizéiert Gehirerechmomme fir Wakefulness an Arousalbedéngungsinstanzen néideg si fir iwwerlieft. Zum Beispill d'Aktivatioun vum LC-NE System erhéijen Eruptioun a verursaachen Angstzocker-Verhalen (Itoi a Sugimoto, 2010). Am Géigesaz zum Neuropeptid S (NPS) System, e Peptid, deen aus enger limitéierter neuronaler Bevëlkerung vu ventraler LC produzéiert gëtt, vergréissert och Erregung awer erof Angscht (Pape et al., 2010). Also, fir esou verschidde Variabel Verhaltensfunktiounen ze ënnerstëtzen, muss d'Erhaalskreesser e grousst Spezifizéierungsniveau erreecht hunn, evtl. duerch e selektive Kompartimentatioun vun hiren afferent a efferent Uschlëss, den Transmitter / Modulatoren Freesetzungsfunktiounen a kohärent Aktivitéit mat aneren Erfaardungen.

Perspektiven

An de leschte fënnef Joer huet d'Kombinatioun vun Optogenetik, genetesch manipuléiert Mausmodeller an EEG / EMG Analyse vum Schlof eng eenzegaarteg a mächteg Formatioun vun Instrumenter zur Verfügung gestallt fir d'Bäiträg vun den hcrt an LC Systemer zur Erhuelung weider ze verstoen, souwéi aner Populatiounen vun Neuronen, déi Grad vu Schlof an Erwächen reguléieren. Targeting optogenetesch Sonden op aner Populatiounen vun Neuronen am Gehir bestëmmen hir individuell a kombinéiert Rollen am Schlof / Wake Grenzen. Ausserdeem ginn dës Tools eis erméiglecht de Gehirmechanismus ze bestëmmen, deen de Wake Staaten baséiert op Basis vun anatomesche Projektiounen, synaptescher Neurotransmissioun an Dynamik vum Sender Fräiloossung. D'Fäegkeet dës Circuiten ze zielen a selektiv ze manipuléieren mat héijer temporaler Präzisioun (<1 s) erlaabt weider d'Méiglechkeet hir Roll an engem grousse Spektrum vu Verhalen z'ënnersichen wéi Nahrungsaufnahme, Sucht, Stress, Opmierksamkeet a sexueller Erhuelung. Schlussendlech kënnen dës Studien d'pathophysiologesch Mechanismen vu psychiatresche Stéierunge wéi chronesch Angscht, Sucht, Opmierksamkeetsdefizit, an Depressioun entfalen.

Arbeschterlidder

Referenze