Functionele bedrading van hypocretine en LC-NE neuronen: implicaties voor arousal (2013)

Abstract

Slaap en waakzaamheid zijn twee elkaar uitsluitende toestanden die fietsen met zowel ultradische als circadiane perioden door het dierenrijk. Waakzaamheid is een bewuste toestand waarin een dier zijn omgeving kan waarnemen en ermee kan omgaan. Na een langere periode van wakker zijn neemt de slaapdruk toe en dit leidt tot het begin van de slaap die wordt gekenmerkt als een periode van relatieve inactiviteit met een stereotype houding en een hogere sensorische drempel.

Bij zoogdieren wordt de slaap over het algemeen verdeeld in slow-wave slaap (SWS of NREM-slaap bij de mens) en snelle slaap in de slaap (REM) (ook wel "paradoxale slaap" genoemd). Waakzaamheid, SWS en REM-slaap zijn verschillende gedragstoestanden die kunnen worden gedefinieerd door precieze elektro-encefalografische (EEG) en elektromyografische (EMG) kenmerken. Tijdens het ontwaken hebben oscillaties met gemengde amplitude met lage amplitude de overhand. SWS wordt gekenmerkt door langzame oscillaties met hoge amplitude (0.5-4 Hz), waarvan de dominantie (gemeten aan de hand van de EEG-vermogensdichtheid) de diepte van de slaap aangeeft. REM-slaap is een enkelvoudige gedragstoestand, gekenmerkt door snellere, gemengde frequenties oscillaties, waaronder theta (5-10 Hz) oscillaties domineren bij knaagdieren, vergezeld door spieratonia, evenals fluctuatie van het hart en ademhalingssnelheden.

Hoewel staten van slaap en waakzaamheid kwalitatief en kwantitatief eenvoudig te karakteriseren zijn, is het verrassend moeilijk om te definiëren wat wordt bedoeld met 'opwinding'. De term opwinding verwijst meestal naar de mate van waakzaamheid en waakzaamheid tijdens waakzaamheid, die zich manifesteert als verhoogde motorische activering, reactievermogen naar sensorische inputs, emotionele reactiviteit en verbeterde cognitieve verwerking.

De hersenmechanismen die ten grondslag liggen aan de organisatie van de slaap-waakcyclus en het algemene niveau van opwinding blijven onduidelijk en veel klassieke studies hebben verschillende populaties neuronen geïdentificeerd waarvan de activiteit correleert met verschillende gedragstoestanden. Er werd oorspronkelijk aangenomen dat neuronen actief zijn vóór gedragsovergangen (dat wil zeggen, neuronen actief voorafgaand aan een overgang van slaap naar wek) promoten de komende staat, terwijl neuronen die actief zijn tijdens een specifieke toestand (wakker zijn of slapen) belangrijk zijn onderhouden het. Deze opvatting wordt gecompliceerder gemaakt door het inzicht dat neuronen in een netwerk toestandsgebonden activiteit kunnen vertonen vanwege connectiviteit met andere, meer causale neuronen zonder zelf rechtstreeks verantwoordelijk te zijn voor toestandsovergangen. Niettemin is in het algemeen geconcludeerd dat er neurale populaties zijn die een oorzakelijke rol spelen in slaap- en / of opwindingsstaten. Populaties waarvan gedacht wordt dat ze opwinding bevorderen, zijn onder meer: ​​het hypocretine (hcrt - ook wel "orexins" genoemd) - het uitdrukken van neuronen in de laterale hypothalamus, de noradrenerge locus coeruleus (LC) -expressie van neuronen in de hersenstam, de serotoninerge dorsale raphe-kernen (DRN) in de hersenstam, de histaminergische tuberomammilaire kern (TMN) in de posterieure hypothalamus, de cholinergische pedunculopontine (PPT) en laterodorsale tegmentale (LDT) kernen in de middenhersenen, evenals cholinerge neuronen in de basale voorhersenen (Jones, 2003). Daarentegen zijn remmende neuronen van anterieure hypothalamische structuren actief tijdens SWS, terwijl Melanine-concentrerende Hormoon (MCH) neuronen van de laterale hypothalamus, evenals glutamaterge en GABAergische neuronen van de hersenstam actief zijn tijdens REM-slaap (Fort et al., 2009).

In de afgelopen jaren zijn wij en anderen begonnen met het gebruik van optogenetische technologie met verschillende muismodellen om vragen zoals aan te pakken Hoe reguleren opwindingssystemen waakzaamheid en opwinding? Hoe werken ze functioneel samen om opwinding in specifieke contexten te bevorderen, te behouden of te verbreden? In onze recente studies waren we vooral geïnteresseerd in neuronen die hcrt tot expressie brengen (de Lecea et al., 1998; Sakurai et al., 1998). De hcrt zijn twee neuro-exciterende peptiden (de Lecea et al., 1998; Sakurai et al., 1998) geproduceerd in ~ 3200-neuronen in de laterale hypothalamus van de muis (~ 6700 en 50,000-80,000 in de respectievelijke menselijke en menselijke hersenen) (de Lecea en Sutcliffe, 2005; Modirrousta et al., 2005). Deze neuronen ontvangen functionele inputs van meerdere systemen verdeeld in de cortex, het limbisch systeem, sub-corticale gebieden inclusief de hypothalamus zelf, thalamus en oplopende projecties van de cholinerge kernen van de hersenstam, de reticulaire formatie, de raphe-kern van de middenbreinen en het periaqueductale grijs. Op hun beurt projecteren deze neuronen zich door het centrale zenuwstelsel, inclusief naar arousal en beloningscentra van de hersenen, naar neuronen die hcrt-receptoren tot expressie brengen (OX1R en OX2R). De afferente en efferente projecties van hcrt-neuronen suggereren dat ze een rol spelen in meerdere hypothalamische functies, waaronder het reguleren van de slaap / waakcyclus en doelgericht gedrag. Interessant is dat we hebben ontdekt dat een specifieke efferente projectie van hcrt-neuronen naar noradrenergische LC-neuronen slaap-tot-waak overgangen en mogelijk meer algemene aspecten van opwinding mediëren.

Hier vatten we recente optogenetische experimenten samen die de hypothese testen dat hcrt en LC neuronen overgangen en onderhoud van arousale toestanden veroorzaken (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Allereerst lichten we kort de eerdere rapporten over deze systemen toe en vatten die samen met traditionele genetische en farmacologische technieken. Vervolgens integreren we onze eigen bevindingen met behulp van optogenetische sondes om deze systemen selectief te stimuleren of te remmen in vrij bewegende muizen. Ten slotte bespreken we onopgeloste vragen en speculeren we over toekomstige anatomische en functionele ontledingen van opwindingcircuits.

Hypocretinen, waakzaamheid en narcolepsie

hcrt-neuronen zijn over het algemeen stil tijdens stil wakker zijn, SWS en REM-slaap, maar vertonen hoge ontladingssnelheden tijdens actieve wakende en REM-slaap-tot-waak overgangen (Lee et al., 2005; Mileykovskiy et al., 2005; Takahashi et al., 2008; Hassani et al., 2009). Bovendien vertonen ze hoge ontladingen tijdens opwinding veroorzaakt door omgevingsstimuli (bijv. Een auditieve stimulus) (Takahashi et al., 2008) en doelgericht gedrag (Mileykovskiy et al., 2005; Takahashi et al., 2008). Deze studies suggereren dat hcrt-neuronen deelnemen aan slaap-tot-waak overgangen, evenals aan de verhoogde alertheid waargenomen tijdens verschillende doelgerichte gedragingen.

Blokkade of onderdrukking van hcrt-signalering toont de noodzaak van hcrt voor de integriteit van gedragstoestanden bij muizen, ratten, honden, mensen en mogelijk zebravissen (Sakurai, 2007; Yokogawa et al., 2007). Inderdaad, het meest overtuigende verlies van functie bewijs komt van het verband tussen hcrt-deficiëntie en de symptomen van narcolepsie (Peyron et al., 2000; Saper et al., 2010). Narcoleptische patiënten met kataplexie hebben een volledige afwezigheid van hcrt gentranscripten in de hypothalamus evenals niet- of nauwelijks detecteerbare gehalten van hcrt in het hersenvocht (Thannickal et al., 2000; Sakurai, 2007; Yokogawa et al., 2007). Doberman-narcoleptische honden dragen een mutatie in OX2Ren alle genetisch gemanipuleerde knaagdieren met ofwel een verwijdering van hcrt, OX2Rof hcrt-cellen vertonen gedragsarrestaties die lijken op kataplexie, het kenmerk van narcolepsie (Jones, 2003; Sakurai, 2007; Sehgal en Mignot, 2011). Belangrijk is genetische redding van hcrt genexpressie verlichtte narcolepsiesymptomen bij muizen (Liu et al., 2011; Blanco-Centurion et al., 2013).

Intracerebroventriculaire (icv) infusie van hcrt-peptiden of hcrt-agonisten veroorzaakt een toename van de tijd die wakker is doorgebracht en een afname in SWS en REM-slaap [overzicht in Sakurai (2007)]. Stereotactische injectie van het peptide in de LC, LDT, basale voorhersenen of de laterale hypothalamus verhoogde waakzaamheid en locomotorische activiteit vaak geassocieerd met een duidelijke vermindering in SWS en REM-slaap (Hagan et al., 1999). Meer recent induceerde genetische disinhibitie van hcrt-neuronen met behulp van een selectieve GABA-B-receptor-gendeletie alleen in hcrt-neuronen ernstige fragmentatie van slaap / waaktoestanden tijdens zowel de lichte als donkere perioden zonder een abnormaliteit te vertonen in totale slaap / waak-duur of tekenen van kataplexie (Matsuki et al., 2009). Samengevat suggereren deze gegevens dat de hcrt-peptiden belangrijk zijn om grenzen tussen slaap- en waaktoestanden te definiëren, zoals blijkt uit de fragmentatie van slaap- en waaktoestand in diermodellen van narcolepsie.

Hoewel algemeen is gedocumenteerd dat de biologische functie van hcrt-peptiden noodzakelijk is om de juiste opwinding en slaap te behouden, blijft het onduidelijk welke van de twee hcrt-receptoren, OX1R of OX2R, biologisch verantwoordelijk is voor de effecten van hcrt op opwinding, evenals voor slaapstabiliteit. en controle van de spierspanning. OX1R mRNA komt tot uitdrukking in veel hersengebieden, in het bijzonder de LC, raphe-kernen, LDT terwijl OX2R mRNA vertoont een complementair patroon van expressie in de hersenschors, raphe-kernen, evenals dorsomediale en posterieure (in de tuberomammillary nucleus) hypothalamus (Trivedi et al., 1998; Marcus et al., 2001; Mieda et al., 2011). Zo is voorgesteld dat de beheersing van wakker zijn en NREM-slaap-en-waakklimaat kritisch afhankelijk is van OX2R (Mochizuki et al., 2011) terwijl de ontregeling van de REM-slaap (uniek voor narcolepsie-kataplexie) het gevolg is van verlies van signalering door zowel OX1R als OX2R (Mieda et al., 2011). Hun implicaties voor de regulatie van narcolepsie, met name kataplexie en slaapaanval, blijven echter onduidelijk. Honden met erfelijke narcolepsie dragen een nulmutatie in de OX2R gen (Lin et al., 1999) en het bijbehorende muismodel, de OX2R KO muizen, vertonen minder ernstige symptomen dan de honden (Willie et al., 2003). Hoewel OX1R deelneemt aan de regulatie van arousal (Mieda et al., 2011), de bijdrage ervan aan de symptomen van narcolepsie moet nog verder worden gekarakteriseerd.

Belangrijk is dat de activiteit in andere opwindingssystemen sterk wordt verstoord tijdens kataplexie. LC neuronen stoppen met ontlading (Gulyani et al., 1999) en serotoninerge neuronen verminderen hun activiteit significant (Wu, 2004), terwijl cellen zich in de amygdala bevinden (Gulyani et al., 2002) en het TMN vertoonde een verhoogd niveau van vuren (John et al., 2004). Deze associatie suggereert dat zowel OX1R (LC, raphe) als OX2R (TMN, raphe) betrokken zijn bij het handhaven van de juiste spierspanning. Recente studies wezen ook op de rol van veranderde cholinerge systemen bij het teweegbrengen van kataplexie bij narcoleptische muizen (Kalogiannis et al., 2011, 2010). Daarom is een belangrijk onopgelost doel het identificeren van de functionele bedrading van hcrt-neuronen, evenals de dynamica van synaptische afgifte van hcrt-klemmen om nauwkeurig de stroomafwaartse projecties af te bakenen (de Lecea et al., 2012) die opwinding, slaaptoestand, spierspanning en doelgericht gedrag beheersen.

De locus coeruleus, norepinephrine en opwinding

De LC grenst aan de 4^th ventrikel in de hersenstam en bevat neuronen die het monoamine norepinefrine (NE) synthetiseren. Hoewel vier andere celpopulaties ook NE produceren (de A1-, A2-, A5- en A7-celgroepen), produceert de LC ~ 50% van de totale NE van de hersenen en is het de enige bron van de cortex. Er zijn veel functionele NE-receptoren verspreid over de hersenen, waarbij α1- en β-receptoren gewoonlijk prikkelende postsynaptische potentialen veroorzaken en α2-receptoren gewoonlijk remmende postsynaptische potentialen. α2-receptoren worden dicht aangetroffen op LC-neuronen (Berridge en Waterhouse, 2003) zelf en dienen als remmende autoreceptoren om intrinsieke activiteit te onderdrukken.

Opnamen in wakkere gedragende dieren tonen aan dat LC-neuronen tijdens wakker worden tonaal vuren op 1-3 Hz, minder vuren tijdens SWS-slaap en vrijwel stil zijn tijdens REM-slaap (Aston-Jones en Bloom, 1981; Jones, 2003; Saper et al., 2010). De LC vuurt ook fasisch in korte bursts van 8-10 Hz tijdens de presentatie van saillante stimuli die de waakduur kunnen verhogen. Net als hcrt-neuronen gaan veranderingen in ontladingssnelheid vooraf aan veranderingen in slaap-tot-waak overgangen (Aston-Jones en Bloom, 1981), wat suggereert dat deze cellen belangrijk zijn voor overgangen naar waakzaamheid of aandacht.

Interessant is dat fysieke laesies van de LC geen consistente veranderingen in corticale EEG of gedragsindices van opwinding veroorzaken (Lidbrink, 1974; Blanco-Centurion et al., 2007). Genetische ablatie van dopamine beta-hydroxylase, een enzym dat nodig is voor de NE-synthese, verstoort ook de slaap-waaktoestanden niet (Hunsley et al., 2006). Dit suggereert de aanwezigheid van overbodige neurale circuits, extern aan de LC-structuur, ondersteunende corticale activiteit en compenserende ontwikkelingsmechanismen, respectievelijk. Centrale injecties van farmacologische antagonisten van α1- en β-noradrenerge receptoren (Berridge en España, 2000) of agonisten van remmende α2-autoreceptoren (De Sarro et al., 1987) hebben aanzienlijke sedatieve effecten. Centrale toediening van NE rechtstreeks in de kamers of voorhersenen bevordert de waakzaamheid (Segal en Mandell, 1970; Flicker en Geyer, 1982). Stimulatie van neuronen in de LC met behulp van lokale micro-injecties van een cholinerge agonist (bethanechol) produceert een snelle activering van het EEG van de voorhersenen in met halothaan verdoofde ratten (Berridge en Foote, 1991). Onlangs is aangetoond dat het LC-NE-systeem kritiek is voor het handhaven van het verhoogde membraanpotentieel van corticale neuronen in waaktoestand vergeleken met slaaptoestanden (Constantinopel en Bruno, 2011). Samengenomen impliceren deze studies dat het LC-NE-systeem de corticale activiteit desynchroniseert en het corticale membraanpotentieel verhoogt om de opwinding te vergroten.

Optogenetische dissectie van hcrt en LC-NE controle van opwinding

De activiteit van hcrt en LC-NE neuronen correleert met slaap-tot-waak overgangen, het was echter moeilijk om selectief specifieke hcrt en LC-NE populaties te stimuleren of te remmen met een temporele resolutie die relevant is voor slaap of waakzaamheid afleveringen, en om te bereiken ruimtelijke selectiviteit om die cellen te onderzoeken zonder de omringende cellen of doorgangsvezels aan te tasten. In een poging om de temporele dynamiek van neurale circuits van wakkerheid beter te begrijpen, hebben we recent optogenetica toegepast om reversibel en selectief de activiteit van hcrt- en LC-neuronen in vrij bewegende dieren te manipuleren (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Optogenetics gebruikt actuator opsine moleculen (bijv. Channelrhodopsin-2 (ChR2) of halorhodopsin-NpHR) om respectievelijk genetisch getargette cellen selectief te activeren of te stoppen, met lichtflitsen bij een specifieke golflengte (Boyden et al., 2005). Meer informatie over optogenetische technologie is te vinden in veel andere uitstekende beoordelingen (Zhang et al., 2006; Miesenböck, 2009; Scanziani en Häusser, 2009; Yizhar et al., 2011; Deisseroth, 2012).

Om deze actuatoren aan hcrt- of LC-neuronen te leveren, gebruikten we lentivirale en cre-afhankelijke adeno-geassocieerde virale (AAV) genafgiftehulpmiddelen, respectievelijk, onder de controle van celtype-specifieke promoters (Adamantidis et al., 2007). Om licht aan het hcrt- of LC-veld te leveren, hebben we optische-neurale interfaces ontworpen waarin optische vezels chronisch op de schedels van de muis werden geïmplanteerd, zoals elders beschreven (Adamantidis et al., 2005, 2007; Aravanis et al., 2007; Zhang et al., 2010). Met behulp van deze strategie konden we zowel hcrt neurale activiteit controleren in vitro en in vivo met milliseconde-precieze optische stimulatie (Adamantidis et al., 2007). De hoge temporele en ruimtelijke precisie van stimulatie liet ons toe om het fysiologische bereik van hypocretine neuron ontladingstarieven (1-30 Hz) na te bootsen (Hassani et al., 2009). Inderdaad, we gebruikten lichtpulstreinen voor onze optogenetische stimulatie die gebaseerd waren op parameters van de eigenlijke frequentieanalyse van hcrt-neuronen. in vivo (dit geldt ook voor optogenetische controle van LC-NE neuronen die hieronder worden beschreven). We vonden dat directe eenzijdige optische stimulatie van hcrt-neuronen de kans op overgangen naar waakzaamheid verhoogde van SWS- of REM-slaap (figuur (Figure1A) .1A). Interessant is dat optische hoogfrequente stimulatie (5-30 Hz-lichtpulstreinen) de latentie tot wakkerheid verminderde, terwijl 1 Hz-treinen dit niet deden, wat duidde op een frequentie-afhankelijke synaptische afgifte van neurotransmitter (glutamaat) en neuromodulatoren, inclusief hcrt of dynorfine van de terminals. We toonden verder aan dat de effecten van het stimuleren van hcrt-neuronen konden worden geblokkeerd door injectie van een OX1R-antagonist of door genetische deletie van het hcrt-gen, hetgeen suggereert dat hcrt-peptiden ten minste gedeeltelijk optogenetisch geïnduceerde slaap-tot-waak overgangen mediëren. Deze resultaten laten zien dat hcrt-afgifte van neuronen die hcrt tot expressie brengen noodzakelijk is voor de activerende eigenschappen van deze neuronen. Belangrijk is dat deze resultaten een oorzakelijk verband aantonen tussen hcrt-neuronactivatie en slaap-tot-waak overgangen, consistent met eerdere correlatieve onderzoeken. Dit werd verder ondersteund door het feit dat optische silencing van hcrt-neuronen SWS bevordert (Tsunematsu et al., 2011).

 

Figuur 1

Optogenetische dissectie van opwindingcircuits van de hersenen. (EEN) Stimulatie van hcrt-neuronen met ChR2 veroorzaakt een daling in slaap-tot-waakwachttijd bij 10 Hz maar niet 1 Hz (gegevens van Adamantidis et al., 2007). (B) Stimulatie van LC-neuronen met ChR2 veroorzaakt onmiddellijk ...

Deze resultaten zijn onlangs bevestigd door Sasaki en medewerkers (Sasaki et al., 2011), die een farmacogenetische benadering gebruikte, Designer Receptors genaamd Exclusief Geactiveerd door Designer Drugs (DREADDs) om hcrt neurale activiteit te activeren en te onderdrukken. DREADD-technologie maakt bimodale modulatie van neurale activiteit mogelijk met een tijdelijke resolutie van enkele uren (Dong et al., 2010). Ze vonden dat activering van hcrt-neurale activiteit waakzaamheid verhoogde terwijl suppressie van hcrt-activiteit SWS bevorderde.

In een tweede onderzoek (Carter et al., 2009), hebben we aangetoond dat hcrt-controle van slaap-waak-overgangen afhankelijk is van slaaphomeostasisprocessen, omdat hcrt-gemedieerde slaap-tot-waak overgangen worden geblokkeerd door verhoogde slaapdruk (veroorzaakt door slaapdeprivatie). Het effect van optogenetische stimulaties van hcrt bleef echter bestaan ​​in histamine decarboxylase knock-out muizen (muizen die histamine niet kunnen synthetiseren), wat suggereert dat een ander doelwit dat het histaminergische systeem verantwoordelijk is voor het effect van de hcrt. Ten slotte toonden we aan dat stroomafwaartse opwindingscentra zoals de LC-neuronen beide hun activiteit verhoogden (zoals gemeten door c-Fos-expressie) als reactie op hcrt-optogenetische stimulatie. Omdat eerder werk een prikkelend effect van hcrt op LC NE-neuronen vertoonde (Bourgin et al., 2000), hebben we de hcrt-LC-verbinding onderzocht en onze experimentele onderzoeken gericht op de noradrenerge LC als een nieuw doelwit voor optogenetische manipulatie.

In een derde onderzoek (Carter et al., 2010), hebben we genetisch gericht op LC-NE neuronen door stereotaxische injectie van een Cre recombinase-afhankelijk adeno-geassocieerd virus (rAAV) in knock-in muizen die selectief Cre in tyrosine hydroxylase (TH) neuronen tot expressie brengen (Atasoy et al., 2008; Tsai et al., 2009). We vonden dat zowel NpHR als ChR2 functioneel waren en respectievelijk LC-NE-neuronen konden remmen en activeren, beide in vitro en in vivo (Figuur (Figure1B) .1B). We ontdekten dat optogenetische laagfrequente (1-10 Hz) stimulatie van LC-NE neuronen directe (minder dan 5s) slaap-tot-waak overgangen veroorzaakte van zowel SWS als REM slaap. Stimulatie van LC-neuronen tijdens wakker zijn verhoogde locomotorische activiteit en de totale tijd die wakker was doorgebracht, wat het sterke opwindingseffect bevestigt. In tegenstelling hiermee verminderde NpHR-gemedieerde silencing van LC-NE-neuronen de duur van de wake-afleveringen, maar blokkeerde de slaap-tot-waak overgangen niet wanneer de dieren in slaap waren. Alles bij elkaar heeft deze studie aangetoond dat activering van LC-NE-neuronen noodzakelijk is voor het handhaven van de normale duur van waakzaamheid (NpHR-experiment), en voldoende om directe slaap-tot-waak overgangen te induceren, aanhoudend wakker zijn en toegenomen locomotorische opwinding. We stelden daarom voor dat de LC-NE-neuronen fungeren als een snel afrekensysteem om slaap-tot-waak overgangen en algemene opwinding te bevorderen. Interessant genoeg vonden we dat langdurige optische activering van LC-NE neuronen motorische arrestatie induceert (Carter et al., 2010). Dergelijke gedragsaanvallen delen veel voorkomende symptomen met kataplexie, katatonie of gedragsvriezen, zowel in diermodellen als bij humane patiënten (Scammell et al., 2009). Mogelijke mechanismen kunnen betrekking hebben op NE-uitputting van LC-NE-synapsklemmen of LC-NE-overexcitatie van hersenstammotorkiemen die zouden leiden tot verlamming. Verder onderzoek is nodig om de onderliggende mechanismen te ontrafelen.

In onze meest recente studie (Carter et al., 2012), testten we de hypothese dat LC-activiteit de effecten van hcrt-neuron op slaap-naar-waakovergangen afleidt. Omdat hcrt- en LC-neurale populaties zich in verschillende hersengebieden bevinden, is het fysiek mogelijk om beide structuren gelijktijdig in hetzelfde dier te benaderen. We hebben daarom een ​​dubbele optogenetische benadering gevolgd om hcrt-neuronen te stimuleren en tegelijkertijd noradrenerge LC-neuronen te remmen of te stimuleren tijdens SWS-slaap. We ontdekten dat het uitzetten van LC-neuronen tijdens hcrt-stimulatie hcrt-gemedieerde slaap-naar-waakovergangen blokkeerde (figuur (Figure1C) .1C). In tegenstelling hiermee vonden we dat het verhogen van de prikkelbaarheid van LC-neuronen door step-function opsin (SFO) -activering - welke toename van doelwitcellen (Berndt et al., 2009) - tijdens hcrt-stimulatie (met behulp van een LC-stimulatieprotocol dat op zichzelf de slaap-tot-waak overgangen niet verlengt) verbeterde hcrt-gemedieerde slaap-tot-waak overgangen (figuur (Figure1D) .1D). Alles bij elkaar laten onze resultaten zien dat de LC dient als een noodzakelijke en voldoende stroomafwaartse effector voor door hcrt gemedieerde SWS-naar-waak-overgangen tijdens de inactieve periode.

hcrt en LC-NE systeemdynamica

In onze experimentele studies hebben we waargenomen dat optogenetische manipulatie van hcrt- en LC-NE-neuronen van invloed is op slaap-tot-wake-overgangen met dramatisch verschillende temporele dynamica (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Acute optische activering van hcrt-neuronen veroorzaakt slaap-tot-waak overgangen over een periode van 10-30 s, terwijl stimulatie van LC neuronen slaap-tot-waak overgangen in minder dan 5 s veroorzaakt. Een verklaring is dat hcrt-neuronen kunnen fungeren als een stroomopwaartse integrator van arousal tijdens hypothalamisch-gerelateerde functies, terwijl het LC-NE-systeem fungeert als een primaire effector voor opwinding, stress en aandacht. De neuronale effector-systemen zijn echter waarschijnlijk overbodig en worden geactiveerd door verschillende sets van ingangen. Daarom kunnen we niet uitsluiten dat het blokkeren van andere opwindingssystemen, zoals de centrale histaminergische en cholinerge systemen, ook hcrt-geïnduceerde gedragstoestandovergangen in andere experimentele omstandigheden ernstig zou beïnvloeden.

Naast deze kortetermijneffecten is het ook interessant dat aanhoudende (dwz semi-chronische) fotostimulatie-experimenten van ~ 1-4 h van hcrt-neuronen de slaap-tot-waak overgangen verhoogden zonder de totale duur van het wakker zijn te veranderen, terwijl op lange termijn fotostimulatie van LC-NE neuronen heeft de duur van de wakkerheid aanzienlijk verhoogd. Deze resultaten suggereren dat het hcrt-systeem slaap-wekgrenzen kan reguleren, terwijl LC-NE-neuronen eerder de waakduur kunnen regelen door het corticale membraanpotentieel te vergroten en het corticale EEG te desynchroniseren.

De hypothalamische lokalisatie van hcrt-neuronen impliceert dat deze cellen een prominente opwindingsrol hebben tijdens homeostatische processen, waaronder seksueel gedrag, voedselvoeding, stressrespons en motivatie. Naast hun beheersing van waakzaamheid, nemen opwindingsstelsels ook deel aan beloningzoekend gedrag, seksuele activiteit, vlucht-of-vechtreacties, enz. Deze overtolligheid kan de opgewekte opwekkingsfunctie over de evolutie en gediversifieerde hersenmechanismen hebben die waakzaamheid en aan opwinding gerelateerde gedragingen ondersteunen die nodig zijn voor overleving. Activering van het LC-NE-systeem verhoogt bijvoorbeeld de opwinding en veroorzaakt angstachtig gedrag (Itoi en Sugimoto, 2010). Daarentegen verhoogt het neuropeptide S (NPS) -systeem, een peptide geproduceerd door een beperkte neuronale populatie ventrale naar de LC, ook de opwinding maar vermindert angst (Pape et al., 2010). Om dergelijke diverse gedragsfuncties te ondersteunen, moeten opwindingsschakelingen een hoog niveau van specificatie hebben bereikt, mogelijk door een selectieve compartimentalisatie van hun afferente en efferente verbindingen, transmitters / modulatoren geven vermogens en coherente activiteit vrij met andere opwindingsschakelingen.

Perspectieven

In de afgelopen vijf jaar heeft de combinatie van optogenetica, genetisch gemanipuleerde muismodellen en EEG / EMG-analyse van slaap een unieke en krachtige set hulpmiddelen opgeleverd om de bijdragen van de hcrt- en LC-systemen aan opwinding en andere populaties van neuronen die de mate van slaap en waakzaamheid reguleren. Het richten van optogenetische sondes op andere populaties van neuronen in de hersenen zal hun individuele en gecombineerde rol in slaap / waakgrenzen bepalen. Bovendien zullen deze tools ons in staat stellen om het hersenmechanisme te bepalen dat ten grondslag ligt aan de waaktoestanden op basis van anatomische projecties, synaptische neurotransmissie en dynamiek van de zenderafgifte. Het vermogen om deze circuits met hoge temporele precisie (<1 s) te richten en selectief te manipuleren, biedt verder de mogelijkheid om hun rol in een breed spectrum van gedragingen te onderzoeken, zoals voedselinname, verslaving, stress, aandacht en seksuele opwinding. Uiteindelijk kunnen deze onderzoeken de pathofysiologische mechanismen van psychiatrische stoornissen zoals chronische angst, verslaving, aandachtstekort en depressie ontrafelen.

Dankwoord

Referenties