Funkciniai hipokretino ir LC-NE neuronų laidai: pasekmės susijaudinimui (2013)

Abstraktus

Miegas ir prabudimas yra dvi viena kitą paneigiančios būsenos, gyvulių karalystėje vykstančios tiek ultraradianiniu, tiek cirkadiniu periodais. Prabudimas yra sąmoninga būsena, kurioje gyvūnas gali suvokti savo aplinką ir sąveikauti su ja. Po ilgo budrumo miego slėgis padidėja ir atsiranda miego pradžia, apibūdinama kaip santykinio neveiklumo laikotarpis su stereotipine laikysena ir aukštesne jutimo riba.

Žinduolių miegas paprastai skirstomas į lėto bangos miegą (SWS arba žmonėms NREM miegą) ir greitą akių judesių (REM) miegą (dar vadinamą „paradoksiniu miegu“). Pabudimas, SWS ir REM miegas yra skirtingos elgesio būsenos, kurias galima apibrėžti tiksliais elektroencefalografijos (EEG) ir elektromiografijos (EMG) požymiais. Prabudimo metu vyrauja žemos amplitudės, mišrių dažnių virpesiai. SWS būdingi lėtai didelės amplitudės virpesiai (0.5 – 4 Hz), kurių vyravimas (matuojant EEG galios tankiu) atspindi miego gylį. REM miegas yra išskirtinė elgesio būsena, kuriai būdingi greitesni, įvairaus dažnio virpesiai, tarp kurių graužikams vyrauja teta (5 – 10 Hz) virpesiai, kuriuos lydi raumenų atonija, taip pat širdies ir kvėpavimo dažnio svyravimai.

Nors miego ir pabudimo būsenas yra kokybiškai ir kiekybiškai lengva apibūdinti, stebėtinai sunku apibrėžti, ką reiškia „susijaudinimas“. Sąvoka „susijaudinimas“ paprastai reiškia budrumo ir budrumo laipsnį pabudimo metu, pasireiškiantį padidėjusiu variklio įsijungimu, reagavimu. jutimo įvestims, emociniam reaktyvumui ir patobulintam pažinimo procesui.

Smegenų mechanizmai, kuriais grindžiamas miego ir žadinimo ciklo organizavimas, bei bendras susijaudinimo lygis, lieka neaiškūs, o daugelyje klasikinių tyrimų nustatyta keletas neuronų populiacijų, kurių aktyvumas koreliuoja su skirtingomis elgesio būsenomis. Iš pradžių buvo manoma, kad neuronai, kurie yra aktyvūs prieš pereinant prie elgesio (ty, neuronai, aktyvūs prieš pereinant nuo miego-budėjimo) skatinti būsimoji būsena, tuo tarpu svarbūs yra tam tikros būklės (budrumo ar miego) metu aktyvūs neuronai palaikyti tai. Šį požiūrį apsunkina supratimas, kad tinklo neuronai gali parodyti su valstybės ribomis susijusį aktyvumą dėl ryšio su kitais labiau priežastiniais neuronais, nebūdami tiesiogiai atsakingi už būsenos perėjimą. Nepaisant to, paprastai daroma išvada, kad yra nervų populiacijų, kurios vaidina priežastinį poveikį miegui ir (arba) susijaudinimo būsenoms. Populiacijos, kurios, kaip manoma, skatina susijaudinimą: hipokretinas (hcrt, dar vadinamas „oreksinais“) - išreiškiantis neuronus šoniniame pagumburyje, noradrenerginį lokusinį keramiką (LC) - ekspresuojančius smegenų kamieno neuronus, serotoninerginius nugarinės rapės branduolius (DRN). galvos smegenyse, histaminerginiame tuberomammaliariniame branduolyje (TMN) užpakaliniame pogumburyje, cholinerginiame pedunculopontine (PPT) ir laterodorsaliniame pagrindiniame (LDT) branduolyje vidurinėje smegenyse, taip pat cholinerginiuose neuronuose baziniame priekiniame smegenyse (Jones, 2003). Priešingai, užpakalinės hipotalaminės struktūros slopinantys neuronai SWS metu yra aktyvūs, o REM miego metu aktyvūs melanino koncentraciją sukeliančių hormonų (MCH) neuronai iš šoninio pagumburio, taip pat smegenų kamieno glutamaterginiai ir GABAerginiai neuronai (Fort et al. 2009).

Pastaraisiais metais mes ir kiti pradėjome naudoti optogenetinę technologiją su įvairiais pelių modeliais, siekdami išspręsti tokius klausimus kaip Kaip žadinimo sistemos reguliuoja pabudimą ir žadinimą? Kaip jie funkciškai sąveikauja, norėdami skatinti, palaikyti ar išplėsti susijaudinimą konkrečiuose kontekstuose? Naujausiuose tyrimuose mes ypač domėjomės neuronais, kurie išreiškia hcrt (de Lecea et al. 1998; Sakurai ir kt., 1998). Hcrt yra du nervus sužadinantys peptidai (de Lecea et al. 1998; Sakurai ir kt., 1998), gaminami ~ 3200 neuronuose pelės šoniniame pagumburyje (atitinkamai ~ 6700 ir 50,000 – 80,000 žiurkės ir žmogaus smegenyse) (de Lecea ir Sutcliffe, 2005; Modirrousta ir kt., 2005). Šie neuronai gauna funkcinę informaciją iš kelių sistemų, išsidėsčiusių žievėje, limbinėje sistemoje, subkortikinėse srityse, įskaitant patį pagumburį, talamą, ir kylančiosiose projekcijose iš smegenų kamieno cholinerginių branduolių, tinklainės formavimosi, vidurinės smegenų rapės branduolių ir pilvaplėvės. Savo ruožtu šie neuronai išsikiša į visą centrinę nervų sistemą, įskaitant smegenų susijaudinimo ir atlygio centrus, neuronams, išreiškiantiems hcrt receptorius (OX1R ir OX2R). Afferentinės ir eferentinės hcrt neuronų projekcijos rodo, kad jie vaidina daugelį pagumburio funkcijų, įskaitant miego / budėjimo ciklo reguliavimą ir į tikslą orientuotą elgesį. Įdomu tai, kad mes nustatėme, kad specifinė eferentinė projekcija iš hcrt neuronų į noradrenerginius LC neuronus tarpininkauja miego ir žadinimo perėjimuose ir galbūt bendresniems sužadinimo aspektams.

Čia mes apibendriname naujausius optogenetinius eksperimentus, kurie patikrina hipotezę, kad hcrt ir LC neuronai sukelia susijaudinimo būsenos pokyčius ir palaikymą (Adamantidis et al., 2007; Carter ir kt. 2009, 2010, 2012). Pirmiausia trumpai išryškiname ir apibendriname ankstesnes ataskaitas apie šias sistemas, naudojant tradicinius genetinius ir farmakologinius metodus. Toliau mes integruosime savo atradimus, naudodami optogenetinius zondus, norėdami selektyviai stimuliuoti ar slopinti šias sistemas laisvai judančiose pelėse. Galiausiai aptariame neišspręstus klausimus ir spėliojame apie būsimus anatominius ir funkcinius susijaudinimo grandinių pjūvius.

Hipokretinai, budrumas ir narkolepsija

hcrt neuronai paprastai būna tylūs esant ramiam budrumui, SWS ir REM miegui, tačiau esant dideliam iškrovos greičiui, kai aktyvus budėjimas ir REM pereina iš miego ir žadinimo (Lee ir kt. 2005; Mileykovskiy ir kt., 2005; Takahashi ir kt., 2008; Hassani ir kt., 2009). Be to, jie rodo aukštą išsiskyrimo greitį, kai susijaudinimą sukelia aplinkos dirgikliai (pvz., Klausos dirgiklis) (Takahashi et al., 2008) ir į tikslą orientuotas elgesys (Mileykovskiy et al., 2005; Takahashi ir kt., 2008). Šie tyrimai rodo, kad hcrt neuronai keičiasi miego-budėjimo metu, taip pat padidėja budrumas, stebimas įvairaus į tikslą orientuoto elgesio metu.

Hcrt signalizacijos blokavimas arba slopinimas rodo hcrt būtinumą pelių, žiurkių, šunų, žmonių ir galbūt zebravilių elgesio būsenų vientisumui (Sakurai, 2007; Yokogawa ir kt., 2007). Iš tiesų, įtikinamiausi funkcijos praradimo įrodymai yra susiję su hcrt trūkumu ir narkolepsijos simptomais (Peyron et al. 2000; Saper ir kt., 2010). Narkotikų, sergančių katapleksija, visiškai nėra hcrt genų nuorašai pagumburyje, taip pat nenustatytas ar vos aptinkamas hcrt lygis smegenų skystyje (Thannickal et al. 2000; Sakurai, 2007; Yokogawa ir kt., 2007). Dobermano narkolepsiniai šunys turi mutaciją OX2Rir visi genetiškai modifikuoti graužikai, išbraukdami hcrt, OX2Rarba hcrt ląstelėse pasireiškia elgesio sulaikymai, primenantys katapleksiją - narkolepsijos požymį (Jones, 2003; Sakurai, 2007; Sehgal ir Mignot, 2011). Svarbu tai, kad genetinis viruso gelbėjimas hcrt genų ekspresija palengvino narkolepsijos simptomus pelėms (Liu ir kt. 2011; Blanco-Centurion ir kt., 2013).

Intracerebroventrikulinė (icv) hcrt peptidų ar hcrt agonistų infuzija padidina prabudimo laiką ir sumažina SWS bei REM miegą [apžvalga Sakurai (2007)]. Stereotaktinė peptido injekcija į LC, LDT, priekinę smegenų dalį arba šoninę pagumburį padidino budrumą ir lokomotorinį aktyvumą, dažnai susijusį su ryškiu SWS ir REM miego sumažėjimu (Hagan ir kt. 1999). Visai neseniai genetinis hcrt neuronų slopinimas, naudojant selektyvų GABA-B receptoriaus geno ištrynimą tik hcrt neuronuose, sukėlė stiprų miego / budrumo būsenų suskaidymą tiek šviesiu, tiek tamsiu periodu, nerodant bendro miego / budėjimo trukmės ar požymių anomalijų. katapleksijos (Matsuki ir kt., 2009). Visi šie duomenys leidžia manyti, kad hcrt peptidai yra svarbūs nustatant ribas tarp miego ir budėjimo būsenų. Tai rodo miego ir žadinimo būsenos fragmentacija gyvūnų narkolepsijos modeliuose.

Nors yra plačiai dokumentuota, kad biologinė hcrt peptidų funkcija yra būtina norint palaikyti tinkamą susijaudinimą ir miegą, lieka neaišku, kuris iš dviejų hcrt receptorių - OX1R ar OX2R - yra biologiškai atsakingas už hcrt poveikį sužadinimui, taip pat miego stabilumą ir raumenų tonuso kontrolė. OX1R mRNR yra ekspresuojama daugelyje smegenų sričių, ypač LC, rapės branduoliuose, LDT tuo tarpu OX2R mRNR parodo papildomą išraiškos modelį smegenų žievėje, raphe branduoliuose, taip pat dorsomedialiniame ir užpakaliniame (tuberomamiliariniame branduolyje) pagumburyje (Trivedi ir kt., 1998; Marcus ir kt., 2001; Mieda ir kt., 2011). Taigi buvo pasiūlyta, kad pabudimo ir NREM miego iki žadinimo valdymas kritiškai priklauso nuo OX2R (Mochizuki ir kt., 2011), o dėl REM miego (būdingo tik narkolepsijai-katapleksijai) reguliavimo, prarandama signalizacija tiek per OX1R, tiek apie OX2R (Mieda ir kt., 2011). Tačiau jų reikšmė kontroliuojant narkolepsiją, ypač katapleksija ir miego priepuolis, lieka neaiški. Paveldima narkolepsija sergantys šunys neturi jokios mutacijos OX2R genas (Lin et al., 1999) ir atitinkamą pelės modelį OX2R KO pelėms pasireiškia ne tokie sunkūs simptomai kaip šunims (Willie ir kt., 2003). Nors OX1R dalyvauja susijaudinimo reguliavime (Mieda ir kt., 2011), jo indėlis į narkolepsijos simptomus turi būti toliau apibūdinamas.

Svarbu tai, kad katapleksijos metu labai trikdomas aktyvumas kitose susijaudinimo sistemose. LC neuronai nutraukia išmetimą (Gulyani ir kt., 1999) ir serotoninerginiai neuronai žymiai sumažina jų aktyvumą (Wu, 2004), o ląstelės, esančios amygdaloje (Gulyani ir kt., 2002) ir TMN parodė padidėjusį šaudymo lygį (John et al., 2004). Ši asociacija rodo, kad tiek OX1R (LC, raphe), tiek OX2R (TMN, raphe) dalyvauja palaikant tinkamą raumenų tonusą. Naujausi tyrimai taip pat pabrėžė pakitusių cholinerginių sistemų vaidmenį sukeliant katapleksiją narkolepsinėse pelėse (Kalogiannis et al., 2011, 2010). Todėl svarbus, neišspręstas tikslas yra nustatyti hcrt neuronų funkcinius laidus, taip pat sinapsių išsiskyrimo iš hcrt terminalų dinamiką, kad būtų tiksliai apibrėžtos pasroviui nukreiptos projekcijos (de Lecea et al., 2012), kurie kontroliuoja susijaudinimą, miego būsenas, raumenų tonusą ir į tikslą orientuotą elgesį.

Lokalinis kūnas, norepinefrinas ir susijaudinimas

LC yra greta 4^th smegenų kamieno skilvelis ir jame yra neuronų, kurie sintetina monoaminą norepinefriną (NE). Nors keturios kitos ląstelių populiacijos taip pat gamina NE (A1, A2, A5 ir A7 ląstelių grupės), LC gamina ~ 50% viso smegenų NE ir yra vienintelis žievės šaltinis. Visose smegenyse yra daug funkcinių NE receptorių, kurių α1 ir β receptoriai paprastai sukelia sužadinimo postinapsinius potencialus, o α2 receptoriai dažniausiai sukelia slopinančius postsinaptinius potencialus. α2 receptoriai yra tankiai randami LC neuronuose (Berridge ir Waterhouse, 2003) patys ir veikia kaip slopinantys autoreceptoriai, slopinantys vidinį aktyvumą.

Įrašai apie budinčius gyvūnus rodo, kad LC neuronai toniškai žadina 1 – 3 Hz budrumo būsenose, mažiau šaudo SWS miego metu ir yra beveik tylūs REM miego metu (Aston-Jones ir Bloom, 1981; Jones, 2003; Saper ir kt., 2010). LC taip pat palaipsniui išskiria trumpus 8 – 10 Hz purslus, kai pateikiami svarbiausi dirgikliai, kurie gali pailginti pabudimo trukmę. Kaip ir hcrt neuronai, iškrovos greičio pokyčiai vyksta prieš keičiantis miego-budėjimo pokyčiams (Aston-Jones ir Bloom, 1981), teigdamas, kad šios ląstelės yra svarbios pereinant į budrumą ar dėmesį.

Įdomu tai, kad fiziniai LC pažeidimai nesukelia nuoseklių žievės EEG ar elgesio rodiklių pokyčių (Lidbrink, 1974; Blanco-Centurion ir kt., 2007). Dopamino beta-hidroksilazės, fermento, reikalingo NE sintezei, genetinė abliacija taip pat nesutrikdo miego būsenos (Hunsley ir kt. 2006). Tai rodo, kad yra perteklinė nervinė grandinė, išorinė LC struktūra, palaikanti žievės veiklą ir kompensacinius vystymosi mechanizmus. Tačiau centrinės α1 ir β noradrenerginių receptorių (Berridge ir España, 2000) arba slopinančių α2 autoreceptorių agonistai (De Sarro et al. 1987) turi ryškų raminamąjį poveikį. Centrinis NE vartojimas tiesiai į skilvelius ar priekines smegenis skatina pabudimą (Segal ir Mandell, 1970; Mirgėjimas ir Geyeris, 1982). Stimuliuojant LC neuronus, naudojant vietinius cholinerginio agonisto (bethanecholio) mikroinjekcijas, greitas priekinio smegenų EEG aktyvavimas atliekamas žiurkėmis, kurios anestezuojamos haliutanu (Berridge ir Foote, 1991). Neseniai buvo įrodyta, kad LC-NE sistema palaiko padidėjusį žievės žievės neuronų membraninį potencialą pabudus, palyginti su miego būsenomis (Konstantinopolis ir Bruno, 2011). Visi šie tyrimai rodo, kad LC-NE sistema dezinchronizuoja žievės aktyvumą ir padidina žievės membranos potencialą, kad padidintų susijaudinimą.

Optogenetinis hcrt diskrecija ir LC-NE susijaudinimo valdymas

Hcrt ir LC-NE neuronų aktyvumas koreliuoja su miego-žadinimo perėjimais, tačiau sunku buvo selektyviai stimuliuoti ar slopinti specifines hcrt ir LC-NE populiacijas laikine skiriamąja geba, susijusia su miego ar budrumo epizodais, ir pasiekti erdvinis selektyvumas tiriant tas ląsteles nepažeidžiant aplinkinių ląstelių ar praeinamųjų skaidulų. Siekdami geriau suprasti budrumo nervinių grandinių laiko dinamiką, neseniai pritaikėme optogenetiką, kad galėtume grįžtamai ir selektyviai manipuliuoti hcrt ir LC neuronų aktyvumu laisvai judančiais gyvūnais (Adamantidis ir kt. 2007; Carter ir kt. 2009, 2010, 2012). Optogenetika naudoja pavaros opsino molekules (pvz., Channelrhodopsin-2 (ChR2) arba halorhodopsin - NpHR), kad selektyviai įjungtų ar nutildytų genetiškai nukreiptas ląsteles atitinkamai šviesos blyksniais tam tikro bangos ilgio (Boyden et al. 2005). Daugiau informacijos apie optogenetinę technologiją galima rasti daugelyje kitų puikių apžvalgų (Zhang et al., 2006; Miesenbockas, 2009; Scanziani ir Häusser, 2009; Yizhar et al. 2011; Deisseroth, 2012).

Šiems paleidikliams pristatyti į hcrt arba LC neuronus, mes panaudojome lentivirusinius ir nuo kremo priklausomus adeno-asocijuoto viruso (AAV) genų pristatymo įrankius, atitinkamai kontroliuodami ląstelės tipo specifinius promotorius (Adamantidis et al., 2007). Kad šviesa būtų perduodama į hcrt arba LC lauką, mes sukūrėme optines-neuronines sąsajas, kuriose optinės skaidulos buvo chroniškai implantuojamos ant pelės kaukolės, kaip aprašyta kitur (Adamantidis et al., 2005, 2007; Aravanis ir kt., 2007; Zhang ir kt. 2010). Naudodamiesi šia strategija, mes sugebėjome kontroliuoti hcrt nervų veiklą in vitro ir in vivo su tikslia milisekundės optiniu stimuliavimu (Adamantidis ir kt., 2007). Didelis laiko ir erdvės stimuliacijos tikslumas leido mums imituoti hipokretino neuronų iškrovos greičio (1 – 30 Hz) fiziologinius diapazonus (Hassani et al., 2009). Iš tikrųjų mes savo optogenetinei stimuliacijai naudojome lengvus impulsinius traukinius, kurie buvo pagrįsti parametrais pagal tikrąjį hcrt neuronų dažnio analizę. in vivo (tai pasakytina ir apie optogenetinę LC-NE neuronų kontrolę, aprašytą žemiau). Mes nustatėme, kad tiesioginis vienašalis optinis hcrt neuronų stimuliavimas padidino perėjimų į budrumą iš SWS arba REM miego tikimybę (pav. (Figure1A) .1A). Įdomu tai, kad aukšto dažnio optinė stimuliacija (5 – 30 Hz šviesos impulsiniai traukiniai) sumažino latenciją iki pabudimo, tuo tarpu 1 Hz traukiniai to nepadarė, o tai rodo, kad nuo dažnio priklauso sinapsinis neurotransmiterio (glutamato) ir neuromoduliatorių išsiskyrimas iš gnybtų. Mes taip pat parodėme, kad stimuliuojančių hcrt neuronų poveikis gali būti blokuojamas suleidžiant OX1R antagonistą arba atliekant genetinį hcrt geno ištrynimą, kas rodo, kad hcrt peptidai bent iš dalies tarpininkauja optogenetiškai sukeltiems miego ir žadinimo perėjimams. Šie rezultatai rodo, kad hcrt išsiskyrimas iš hcrt ekspresuojančių neuronų yra būtinas šių neuronų žadinimo savybėms. Svarbu tai, kad šie rezultatai rodo priežastinį ryšį tarp hcrt neurono aktyvacijos ir miego-budėjimo perėjimų, suderintų su ankstesniais koreliaciniais tyrimais. Tai dar labiau patvirtino faktas, kad optinis hcrt neuronų nutildymas skatina SWS (Tsunematsu et al. 2011).

 

1 pav

Smegenų žadinimo grandinių optogeninis dissekcija. (A) Stimuliuojant hcrt neuronus naudojant ChR2, sumažėja miego ir žadinimo latentinis dažnis 10 Hz, bet ne 1 Hz (Adamantidis ir kt. Duomenys, 2007). (B) LC neuronų stimuliacija naudojant ChR2 sukelia nedelsiant ...

Šiuos rezultatus neseniai patvirtino „Sasaki“ ir bendradarbiai (Sasaki et al. 2011), kurie naudojo farmakogenetinį metodą, vadinamą dizainerių receptoriais, kuriuos išskirtinai suaktyvina dizainerių vaistai (DREADD), norėdami suaktyvinti ir slopinti hcrt nervų veiklą. DREADD technologija leidžia bimodalinį neuronų aktyvumo moduliavimą, esant laikinei skiriamąjai gebai kelioms valandoms (Dong et al., 2010). Jie nustatė, kad hcrt nervinio aktyvumo aktyvinimas padidino budrumą, o hcrt aktyvumo slopinimas skatino SWS.

Antrame tyrime (Carter ir kt. 2009), mes parodėme, kad miego-žadinimo perėjimų hcrt kontrolė priklauso nuo miego homeostazės procesų, nes hcrt-tarpininkaujantys miego-žadinimo perėjimai yra blokuojami dėl padidėjusio miego slėgio (kurį sukelia miego trūkumas). Tačiau hcrt optogenetinių stimuliacijų poveikis išliko histamino dekarboksilazės išmušimo pelėms (pelėms, kurios nesugeba sintetinti histamino). Tai rodo, kad kitas tikslas, kad histaminerginė sistema yra atsakinga už hcrt poveikį. Galiausiai mes parodėme, kad tiek pasroviui veikiantys susijaudinimo centrai, tokie kaip LC neuronai, padidino savo aktyvumą (matuojant c-Fos ekspresija), reaguodami į hcrt optogenetinę stimuliaciją. Kadangi ankstesnis darbas parodė sužadinantį hcrt poveikį LC NE neuronams (Bourgin et al. 2000), mes ištyrėme hcrt-LC ryšį ir sutelkėme savo eksperimentinius tyrimus į noradrenerginį LC kaip naują optogenetinių manipuliacijų taikinį.

Trečiajame tyrime (Carter ir kt. 2010), mes genetiškai taikėme LC-NE neuronus stereotaksiniu būdu sušvirkšdami nuo Cre rekombinazės priklausomo adeno-susijusio viruso (rAAV) į nokautuojamas peles, selektyviai ekspresuojančias Cre tirozino hidroksilazės (TH) neuronuose (Atasoy et al., 2008; Tsai ir kt., 2009). Mes nustatėme, kad tiek NpHR, tiek ChR2 buvo funkcionalūs ir galėjo atitinkamai slopinti ir suaktyvinti LC-NE neuronus. in vitro ir in vivo (Pav. \ T (Figure1B) .1B). Mes nustatėme, kad optogenetiškai žemo dažnio (1 – 10 Hz) LC-NE neuronų stimuliacija sukėlė tiesioginius (mažiau nei 5 s) miego ir žadinimo perėjimus iš SWS ir REM miego. LC neuronų stimuliavimas pabudimo metu padidino lokomotorinį aktyvumą ir bendrą prabudimo laiką, patvirtindamas stiprų susijaudinimo poveikį. Priešingai, NpHR sąlygotas LC-NE neuronų nutildymas sutrumpino žadinimo epizodų trukmę, tačiau neužkerta kelio miego ir žadinimo perėjimams, kai gyvūnai miega. Bendrai kalbant, šis tyrimas parodė, kad LC-NE neuronų aktyvinimas yra būtinas norint palaikyti normalų pabudimo laiką (NpHR eksperimentas) ir jo pakanka, kad būtų sukeltas neatidėliotinas miego ir žadinimo perėjimas, ilgalaikis pabudimas ir padidėjęs lokomotorinis susijaudinimas. Taigi mes pasiūlėme, kad LC-NE neuronai veiktų kaip greito derinimo sistema, skatinanti miego ir žadinimo perėjimus bei bendrą susijaudinimą. Įdomu tai, kad mes nustatėme, kad nuolatinis optinis LC-NE neuronų aktyvinimas sukelia lokomotorių sustojimą (Carter ir kt., 2010). Tokie elgesio sulaikymai turi bendrų simptomų, susijusių su katapleksija, katatonija ar elgesio sušalimu, tiek modeliams su gyvūnais, tiek žmonėms (Scammell et al. 2009). Galimi mechanizmai gali apimti NE išeikvojimą iš LC-NE sinapsių gnybtų arba galvos smegenų kamieno motorinių branduolių per didelį ekspoziciją LC-NE, dėl ko gali atsirasti paralyžius. Norint išsiaiškinti pagrindinius mechanizmus, reikalingas tolesnis tyrimas.

Naujausiame mūsų tyrime (Carter et al. 2012), mes patikrinome hipotezę, kad LC aktyvumas vartoja hcrt neurono poveikį miego ir budėjimo perėjimams. Kadangi hcrt ir LC nervų populiacijos yra skirtinguose smegenų regionuose, fiziškai įmanoma tuo pačiu gyvūnu vienu metu pasiekti abi struktūras. Todėl mes pasirinkome dvigubą optogenetinį metodą, norėdami stimuliuoti hcrt neuronus, kartu slopindami ar stimuliuodami noradrenerginius LC neuronus SWS miego metu. Mes nustatėme, kad LC neuronų nutildymas per hcrt stimuliaciją užblokavo hcrt sukeltus miego ir pabudimo perėjimus (pav.) (Figure1C) .1C). Priešingai, mes nustatėme, kad LC neuronų jaudrumo padidinimas aktyvinant pakopinės funkcijos opsino (SFO) - tai padidina tikslines ląsteles (Berndt et al. 2009) - hcrt stimuliacijos metu (naudojant LC stimuliacijos protokolą, kuris savaime nepadidina miego-žadinimo perėjimų) sustiprinti hcrt-tarpininkaujantys miego-žadinimo perėjimai (pav. (Pav. 1D) .1D). Apibendrinant, mūsų rezultatai rodo, kad LC tarnauja kaip būtinas ir pakankamas pasroviui pritaikytas efektorius hcrt tarpininkaujant SWS-wake perėjimams neaktyviu laikotarpiu.

hcrt ir LC-NE sistemos dinamika

Atlikdami eksperimentinius tyrimus, mes pastebėjome, kad optogenetinis hcrt ir LC-NE neuronų manipuliavimas daro įtaką miego ir žadinimo perėjimams dramatiškai skirtinga laiko dinamika (Adamantidis et al., 2007; Carter ir kt. 2009, 2010, 2012). Ūmus optinis hcrt neuronų aktyvinimas sukelia perėjimą nuo miego iki žadinimo per 10 – 30 s, o LC neuronų stimuliavimas sukelia miego ir žadinimo perėjimus mažiau nei 5. Vienas paaiškinimas yra tas, kad hcrt neuronai gali veikti kaip virpesių integratorius, atliekant su pagumburiu susijusias funkcijas, o LC-NE sistema veikia kaip pagrindinis sujaudinimo, streso ir dėmesio efektorius. Tačiau neuronų efektorinės sistemos greičiausiai yra nereikalingos ir suaktyvinamos skirtingais įvesties rinkiniais. Todėl negalime atmesti galimybės, kad kitų žadinimo sistemų, tokių kaip centrinės histaminerginės ir cholinerginės sistemos, blokavimas taip pat smarkiai paveiktų hcrt sukeltus elgesio būklės pokyčius kitomis eksperimentinėmis sąlygomis.

Be šių trumpalaikių padarinių, įdomu ir tai, kad nuolatiniai (ty pusiau lėtiniai) hcrt neuronų ~ 1 – 4 h fotostimuliacijos eksperimentai padidino miego ir žadinimo perėjimus nepakeisdami bendros pabudimo trukmės, tuo tarpu ilgalaikio. LC-NE neuronų fotostimuliacija žymiai padidino budrumo trukmę. Šie rezultatai rodo, kad hcrt sistema gali reguliuoti miego ir žadinimo ribas, tuo tarpu LC-NE neuronai gali labiau kontroliuoti žadinimo trukmę didindami žievės membranos potencialą ir desinchronizuodami žievės EEG.

Pagumburio hcrt neuronų lokalizavimas suponuoja, kad šios ląstelės vaidina svarbų sužadinimo vaidmenį homeostatiniuose procesuose, įskaitant seksualinį elgesį, maisto ruošimą, atsaką į stresą ir motyvaciją. Be susijaudinimo kontrolės, žadinimo sistemos taip pat dalyvauja atlygio siekiančiame elgesyje, seksualiniame aktyvume, reagavimo į muštynes ​​metu ir t. T. Šis atleidimas gali sustiprinti visos evoliucijos sužadinimo funkcijas ir paįvairinti smegenų mechanizmus, palaikančius budrumą ir su jauduliu susijusį elgesį, būtiną išgyvenimas. Pavyzdžiui, LC-NE sistemos aktyvinimas padidina susijaudinimą ir sukelia į nerimą panašų elgesį (Itoi ir Sugimoto, 2010). Priešingai, neuropeptido S (NPS) sistema, peptidas, kurį gamina ribota neuronų populiacija, esanti LC, taip pat padidina susijaudinimą, bet sumažėja nerimas (Pape et al., 2010). Taigi, kad palaikytų tokias įvairias elgesio funkcijas, žadinimo grandinės turi būti pasiekusios aukštą specifikacijos lygį, galbūt per selektyvų jų aferencinių ir eferentinių jungčių suskirstymą, siųstuvai / moduliatoriai išlaisvina galimybes ir nuoseklią veiklą su kitų žadinimo grandinėmis.

Perspektyvos

Per pastaruosius penkerius metus optogenetikos, genetiškai modifikuotų pelių modelių ir EEG / EMG miego analizės derinys suteikė unikalų ir galingą įrankių rinkinį, padedantį geriau suprasti hcrt ir LC sistemų indėlį sužadinant, taip pat kitos neuronų populiacijos, reguliuojančios miego ir budrumo laipsnius. Nustačius optogenetinius zondus į kitas smegenų neuronų populiacijas, bus nustatytas jų individualus ir bendras vaidmuo miego / budėjimo ribose. Be to, šie įrankiai leis mums nustatyti smegenų mechanizmą, kuris yra pažadinimo būsenos, remiantis anatominėmis projekcijomis, sinapsine neurotransmisija ir siųstuvo išleidimo dinamika. Gebėjimas nukreipti ir selektyviai manipuliuoti šiomis grandinėmis dideliu laiko tikslumu (<1 s) leidžia dar labiau ištirti jų vaidmenį įvairiuose elgesio būduose, pavyzdžiui, vartojant maistą, priklausomybę, stresą, dėmesį ir seksualinį susijaudinimą. Galų gale šie tyrimai gali atskleisti patofiziologinius psichikos sutrikimų, tokių kaip lėtinis nerimas, priklausomybė, dėmesio trūkumas ir depresija, mechanizmus.

Padėka

Nuorodos