Funkcionalno ožičenje hipokretina in nevronov LC-NE: posledice za vzburjenje (2013)

Minimalizem

Spanje in budnost sta dve medsebojno izključujoči stanji, ki krožita tako z ultradianom kot s cirkadiani v celotnem živalskem kraljestvu. Zbujanje je zavestno stanje, v katerem lahko žival zazna in posega v svoje okolje. Po daljšem obdobju budnosti se pritisk v spanju zvišuje in vodi v začetek spanja, ki je označeno kot obdobje relativne neaktivnosti s stereotipno držo in višjim senzornim pragom.

Pri sesalcih se spanje navadno deli na spanec s počasnimi valovi (SWS ali NREM spanje pri ljudeh) in na hitro gibanje oči (REM) spanje (imenovano tudi „paradoksalno spanje“). Budnost, SWS in REM spanje so različna vedenjska stanja, ki jih je mogoče opredeliti z natančnimi elektroencefalografskimi (EEG) in elektromiografskimi (EMG) značilnostmi. Med budnostjo prevladujejo nihajna mešana frekvenca z nizko amplitudo. Za SWS so značilna počasna nihanja z visoko amplitudo (0.5 – 4 Hz), katerih prevlada (merjena z gostoto moči EEG) odraža globino spanja. REM spanje je singularno vedenjsko stanje, za katerega so značilna hitrejša nihanja z mešanimi frekvencami, med katerimi pri glodalcih prevladujejo teta (5 – 10 Hz), ki jih spremlja mišična atonija, pa tudi nihanje srca in hitrost dihanja.

Čeprav sta stanja spanja in budnosti kvalitativno in kvantitativno lahko značilna, je presenetljivo težko opredeliti, kaj pomeni "vzburjenje". Izraz vzburjenje se običajno nanaša na stopnjo budnosti in budnosti med budnostjo, ki se kaže kot povečana motorična aktivacija, odzivnost do senzoričnih vložkov, čustvene reaktivnosti in izboljšane kognitivne obdelave.

Možganski mehanizmi, ki so podlaga za organizacijo cikla spanja-budnosti, in splošna stopnja vzburjenosti ostajajo nejasni, številne klasične študije pa so odkrile več populacij nevronov, katerih delovanje je povezano z različnimi vedenjskimi stanji. Prvotno se je domnevalo, da so nevroni, ki so aktivni pred vedenjskimi prehodi (tj. Nevroni, aktivni pred prehodom iz spanja v budnost) spodbujanje prihajajoče stanje, pomembni pa so nevroni, ki so aktivni v določenem stanju (budnost ali spanec) vzdrževati to. To stališče je bolj zapleteno z razumevanjem, da lahko nevroni v omrežju pokažejo aktivnost, ki je povezana z mejo države, zaradi povezanosti z drugimi, bolj vzročnimi nevroni, ne da bi bili sami neposredno odgovorni za prehod države. Kljub temu je na splošno sklenjeno, da obstajajo nevronske populacije, ki igrajo vzročno vlogo pri stanju spanja in / ali vzburjenja. Populacije, za katere se misli, da spodbujajo vzburjenje, vključujejo: hipokretin (hcrt - imenujemo ga tudi "oreksini") - izražanje nevronov v lateralnem hipotalamusu, noradrenergični locus coeruleus (LC), ki izražajo nevrone v možganskem deblu, dorzalna jedra serotoninergične rafe (DRN) v možganskem deblu, histaminergično tubromammilarno jedro (TMN) v zadnjem hipotalamusu, holinergična pedunkulopontinska (PPT) in laterodorzalna tegmentalna (LDT) jedra v srednjem možganu, pa tudi holinergični nevroni v bazalnem prednjem možganu (Jones, 2003). Nasprotno so med SWS aktivni zaviralni nevroni iz anteriornih hipotalamičnih struktur, medtem ko med nevroni, ki koncentrirajo melanin (MCH) iz lateralnega hipotalamusa, kot tudi glutamatergični in GABAergični nevroni iz možganskega debla delujejo med spanjem REM (Fort et al., 2009).

V zadnjih letih smo z drugimi optogenetsko tehnologijo začeli uporabljati različne modele mišk za reševanje vprašanj, kot so Kako sistemi vzburjenja uravnavajo budnost in vzburjenje? Kako funkcionalno sodelujejo za spodbujanje, vzdrževanje ali širjenje vzburjenja v določenih okoliščinah? V naših nedavnih študijah smo bili posebej zainteresirani za nevrone, ki izražajo hcrt (de Lecea et al., 1998; Sakurai et al., 1998). Kcrt sta dva nevro-vzbujajoča peptida (de Lecea et al., 1998; Sakurai et al., 1998) proizvedeno v ~ 3200 nevronih v mišičnem lateralnem hipotalamusu (~ 6700 in 50,000 – 80,000 v podganah in človeških možganih) (de Lecea in Sutcliffe, 2005; Modirrousta in sod., 2005). Ti nevroni prejemajo funkcionalne vhode iz več sistemov, razporejenih v skorji, limbičnem sistemu, podkortikalnih območjih, vključno s samim hipotalamusom, talamusom in naraščajočimi projekcijami iz kolinergičnih jeder možganskega debla, retikularne tvorbe, jeder raphe v srednjem možganu in periaqueductal sive. Po drugi strani ti nevroni štrlijo v osrednjem živčnem sistemu, vključno z možganskimi središči vzburjenja in nagrajevanja, na nevrone, ki izražajo hcrt receptorje (OX1R in OX2R). Aferentne in eferentne projekcije nevronov hcrt kažejo, da igrajo vlogo pri več hipotalamičnih funkcijah, vključno z uravnavanjem cikla spanja / budnosti in ciljno usmerjenega vedenja. Zanimivo je, da smo ugotovili, da specifična eferentna projekcija od hcrt nevronov do noradrenergičnih LC nevronov posreduje prehode med spanjem in budnostjo in morda bolj splošne vidike vzburjenja.

Tu povzemamo nedavne optogenetske poskuse, ki preizkušajo hipotezo, da hcrt in LC nevroni povzročajo prehoda in vzdrževanje stanja vzburjenja (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Najprej na kratko izpostavimo in povzemamo prejšnja poročila o teh sistemih z uporabo tradicionalnih genetskih in farmakoloških tehnik. Nato vključimo lastne ugotovitve z optogenetskimi sondami za selektivno stimulacijo ali zaviranje teh sistemov pri prosto gibajočih se miših. Na koncu razpravljamo o nerešenih vprašanjih in špekuliramo o prihodnjih anatomskih in funkcionalnih presekih vzburjenih vezij.

Hipokreteni, budnost in narkolepsija

hcrt nevroni so običajno tihi med tiho budnostjo, SWS in REM spanjem, vendar kažejo visoke hitrosti praznjenja med aktivnim prebujanjem budnosti in REM spanja v budnost (Lee et al., 2005; Mileykovskiy in sod., 2005; Takahashi et al., 2008; Hassani in sod., 2009). Poleg tega kažejo visoke stopnje praznjenja med vzburjenjem, ki ga povzročajo okoljski dražljaji (npr. Slušni dražljaj) (Takahashi et al., 2008) in ciljno usmerjeno vedenje (Mileykovskiy et al., 2005; Takahashi et al., 2008). Te študije kažejo, da nevroni hcrt sodelujejo pri prehodih spanja v budnost, pa tudi pri povečani budnosti, opaženi med različnimi ciljno usmerjenimi vedenji.

Blokada ali zatiranje signala hcrt kaže na nujnost hcrt za celovitost vedenjskih stanj pri miših, podganah, psih, ljudeh in morda zebricah (Sakurai, 2007; Yokogawa in sod., 2007). Dejansko najbolj prepričljivi dokazi o izgubi funkcije izvirajo iz povezave med pomanjkanjem hcrt in simptomi narkolepsije (Peyron et al., 2000; Saper et al., 2010). Narkoleptični bolniki s katapleksijo so popolno odsotni hcrt prepisi genov v hipotalamusu, kot tudi ne- ali komaj zaznavne ravni hcrt v cerebrospinalni tekočini (Thannickal et al., 2000; Sakurai, 2007; Yokogawa in sod., 2007). Dobermanovi narkoleptični psi nosijo mutacijo v OX2R, in vsi gensko spremenjeni glodalci z izbrisom hcrt, OX2Rali celice hcrt predstavljajo vedenjske aretacije, ki spominjajo na katapleksijo, znak narkolepsije (Jones, 2003; Sakurai, 2007; Sehgal in Mignot, 2011). Pomembno je genetsko reševanje hcrt Ekspresija genov je pri miših ublažila simptome narkolepsije (Liu in sod., 2011; Blanco-Centurion in sod., 2013).

Intracerebroventrikularna (icv) infuzija hcrt peptidov ali hcrt agonistov povzroči povečanje časa preživetega budnega in zmanjšanje spanca SWS in REM [pregled v Sakurai (2007)]. Stereotaktična injekcija peptida v LC, LDT, bazalni sprednji možgan ali stranski hipotalamus povečuje budnost in lokomotorno aktivnost, ki sta pogosto povezana z izrazitim zmanjšanjem spanca SWS in REM (Hagan idr., 1999). V zadnjem času je genetska dishibicija hcrt nevronov, ki uporabljajo selektivno odstranitev gena receptorjev GABA-B samo v hcrt nevronih, povzročila hudo razdrobljenost stanja spanja / budnosti tako v svetlih kot temnih obdobjih, ne da bi prišlo do nenormalnosti v skupni dolžini spanja / budnosti ali znakov katapleksije (Matsuki et al., 2009). Ti podatki skupno kažejo, da so hcrtni peptidi pomembni za določitev meja med stanji spanja in budnosti, kar kaže razdrobljenost stanja spanja in budnosti v živalskih modelih narkolepsije.

Čeprav je splošno dokumentirano, da je biološka funkcija peptidov hcrt potrebna za vzdrževanje ustreznega vzburjenja in spanja, ostaja nejasno, kateri od obeh receptorjev hcrt, OX1R ali OX2R, je biološko odgovoren za učinke hcrt na vzburjenje in stabilnost spanja. in nadzor mišičnega tonusa. OX1R mRNA se izraža na številnih področjih možganov, zlasti v LC, jedrih raphe, LDT, medtem ko OX2R mRNA kaže komplementarni vzorec izražanja v možganski skorji, raphe jedrih, pa tudi dorsomedialnem in posteriornem (v tuberomammilarnem jedru) hipotalamusu (Trivedi in sod., 1998; Marcus et al., 2001; Mieda in sod., 2011). Tako je bilo predlagano, da je nadzor budnosti in NREM spanja v budnost kritično odvisen od OX2R (Mochizuki idr., 2011) medtem ko disregulacija spanja REM (edinstvena za narkolepsijo-katapleksijo) izhaja iz izgube signala prek OX1R in OX2R (Mieda idr., 2011). Vendar njihove posledice pri uravnavanju narkolepsije, zlasti katapleksiji in napadu spanja, ostajajo nejasne. Psi z dedno narkolepsijo nosijo ničelno mutacijo v OX2R gen (Lin in sod., 1999) in ustrezen model miške, OX2R Mišje KO, kažejo manj hude simptome kot psi (Willie et al., 2003). Čeprav OX1R sodeluje pri uravnavanju vzburjenja (Mieda idr., 2011), njegov prispevek k simptomom narkolepsije je treba še nadalje opisati.

Pomembno je, da med katapleksijo močno motijo ​​aktivnosti v drugih sistemih vzburjenja. LC nevroni prenehajo odvajati (Gulyani in sod., 1999) in serotoninergični nevroni znatno zmanjšajo svojo aktivnost (Wu, 2004), medtem ko so celice v amigdali (Gulyani in sod., 2002) in TMN je pokazal povečano stopnjo streljanja (John et al., 2004). Ta povezava nakazuje, da sta OX1R (LC, raphe) in OX2R (TMN, raphe) vključena v vzdrževanje ustreznega mišičnega tonusa. Nedavne študije so izpostavile tudi vlogo spremenjenih holinergičnih sistemov pri sprožanju katapleksije pri narkoleptičnih miših (Kalogiannis et al., 2011, 2010). Zato je pomemben, nerešen cilj prepoznati funkcionalno ožičenje hcrtnih nevronov, pa tudi dinamiko sinaptičnega sproščanja iz hcrt terminalov, da se natančno razmejijo spodnje projekcije (de Lecea et al., 2012), ki nadzorujejo vzburjenje, stanje spanja, mišični tonus in ciljno usmerjena vedenja.

Locus coeruleus, norepinefrin in vzburjenje

LC je v bližini 4^th prekat v možganskem deblu in vsebuje nevrone, ki sintetizirajo monoamin noradrenalin (NE). Čeprav tudi druge štiri celične populacije proizvajajo NE (celice A1, A2, A5 in A7), LC proizvaja približno 50% celotnega NE v možganih in je edini vir v skorji. V možganih je veliko funkcionalnih receptorjev NE, pri čemer receptorji α1 in β običajno povzročajo ekscitacijski postsinaptični potencial, receptorji α2 pa običajno povzročajo inhibitorne postsinaptične potenciale. receptorji α2 se nahajajo na nevronih LC (Berridge in Waterhouse, 2003) sami in služijo kot zaviralni avtoreceptorji za zatiranje intrinzične aktivnosti.

Posnetki živali z budnim vedenjem kažejo, da LC nevroni med budnim stanjem tonejo pri 1 – 3 Hz, med spanjem SWS manj streljajo in so med spanjem REM skoraj tihi (Aston-Jones in Bloom, 1981; Jones, 2003; Saper et al., 2010). LC tudi sproži fazno fazo kratkih sunkov 8 – 10 Hz med predstavitvijo vidnih dražljajev, ki lahko povečajo trajanje budnosti. Tako kot hcrt nevroni tudi spremembe hitrosti praznjenja pred spremembami prehoda med spanjem v budnost (Aston-Jones in Bloom, 1981), kar kaže, da so te celice pomembne za prehod v budnost ali pozornost.

Zanimivo je, da telesne poškodbe LC ne povzročajo konstantnih sprememb v kortikalnem EEG ali vedenjskih indeksih vzburjenja (Lidbrink, 1974; Blanco-Centurion in sod., 2007). Genska ablacija dopaminske beta-hidroksilaze, encima, potrebnega za sintezo NE, tudi ne moti stanja spanja-budnosti (Hunsley et al., 2006). To kaže na prisotnost redundantnega nevronskega vezja, ki je zunaj LC strukture, ki podpira kortikalno aktivnost in kompenzacijski razvojni mehanizem. Vendar pa centralne injekcije farmakoloških antagonistov α1 in β noradrenergičnih receptorjev (Berridge in España, 2000) ali agonisti zaviralnih autoreceptorjev α2 (De Sarro et al., 1987) imajo znatne sedativne učinke. Centralno dajanje NE neposredno v prekata ali sprednji možgan spodbuja budnost (Segal in Mandell, 1970; Flicker in Geyer, 1982). Stimulacija nevronov v LC z lokalnimi mikroinjekcijami holinergičnega agonista (betanehol) povzroči hitro aktiviranje EEG sprednjega mozga pri podganah, anesteziranih s halotanom (Berridge in Foote, 1991). Pred kratkim se je pokazalo, da je sistem LC-NE kritičen za ohranjanje povečanega membranskega potenciala kortikalnih nevronov v budnosti v primerjavi s stanji spanja (Konstantinopel in Bruno, 2011). Skupaj te študije kažejo, da sistem LC-NE dezinhronizira kortikalno aktivnost in poveča potencial kortikalne membrane, da poveča vzburjenje.

Optogenetska disekcija hcrt in LC-NE kontrola vzburjenja

Dejavnost nevronov hcrt in LC-NE je v korelaciji s prehodi spanja v budnost, vendar je bilo težko selektivno stimulirati ali zavirati specifične populacije hcrt in LC-NE s časovno ločljivostjo, ki ustrezajo epizodam spanja ali budnosti, in doseči prostorska selektivnost za sondiranje teh celic, ne da bi to vplivalo na okoliške celice ali na prehod vlaken. V prizadevanju za boljše razumevanje časovne dinamike nevronskih vezij budnosti smo nedavno uporabili optogenetiko za reverzibilno in selektivno manipulacijo aktivnosti hcrt in LC nevronov pri prosto gibajočih se živalih (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Optogenetika uporablja sprožilne molekule oppsina (npr. Kanalhodopsin-2 (ChR2) ali halorhodopsin-NpHR) za selektivno aktiviranje ali utišanje gensko usmerjenih celic oziroma s bliskavicami svetlobe pri določeni valovni dolžini (Boyden idr., 2005). Nadaljnje informacije o optogenetski tehnologiji najdete v številnih drugih odličnih pregledih (Zhang et al., 2006; Miesenbock, 2009; Scanziani in Häusser, 2009; Yizhar et al., 2011; Deisseroth, 2012).

Za dostavo teh pogonov hcrt ali LC nevronom smo uporabili orodja za dajanje genov lentivirusnih in krepko odvisnih adeno-povezanih virusov (AAV) pod nadzorom celičnih specifičnih promotorjev (Adamantidis et al., 2007). Da bi oddali svetlobo v polje hcrt ali LC, smo zasnovali optično-nevralne vmesnike, v katerih so bila optična vlakna kronično vsadljena na lobanjo miške, kot je opisano drugje (Adamantidis et al., 2005, 2007; Aravanis in sod., 2007; Zhang et al., 2010). S to strategijo smo lahko nadzirali nevronsko aktivnost hcrt in vitro in vivo z milisekundno natančno optično stimulacijo (Adamantidis et al., 2007). Visoka časovna in prostorska natančnost stimulacije nam je omogočila posnemati fiziološki razpon hitrosti praznjenja hipokretinskih nevronov (1 – 30 Hz) (Hassani et al., 2009). Dejansko smo za optogenetsko stimulacijo uporabili svetlobne impulzne vlake, ki so temeljili na parametrih na dejanski frekvenčni analizi hcrt nevronov vivo (to velja tudi za optogenetsko kontrolo nevronov LC-NE, opisanih spodaj). Ugotovili smo, da neposredna enostranska optična stimulacija nevronov hcrt poveča verjetnost prehoda v budnost iz spanja SWS ali REM (slika (Figure1A) .1A). Zanimivo je, da je visokofrekvenčna optična stimulacija (lahki impulzni vlaki 5 – 30 Hz) zmanjšala zamudo na budnost, medtem ko vlaki 1 Hz niso, kar kaže na frekvenčno odvisno sinaptično sproščanje nevrotransmiterja (glutamata) in nevromodulatorjev, vključno s hcrt ali dinnorfin iz terminalov. Nadalje smo pokazali, da lahko učinke stimulacije hcrt nevronov preprečimo z injiciranjem antagonista OX1R ali z gensko delecijo gena hcrt, kar kaže, da hcrt peptidi vsaj deloma posredujejo optogenetsko inducirane prehode spanja v budnost. Ti rezultati kažejo, da je za lastnosti, ki spodbujajo zbujanje teh nevronov, potrebno sproščanje hcrt iz nevronov, ki izražajo hcrt. Pomembno je, da ti rezultati kažejo vzročno povezavo med aktivacijo nevrona na hcrt in prehodi med spanjem v budnost, skladno s prejšnjimi korelativnimi študijami. K temu je pripomoglo tudi dejstvo, da optično utišanje hcrt nevronov spodbuja SWS (Tsunematsu et al., 2011).

 

Slika 1

Optogenetska disekcija vzburjenih vezi možganov. (A) Stimulacija hcrt nevronov s ChR2 povzroči zmanjšanje latencije spanja do budnosti pri 10 Hz, ne pa tudi 1 Hz (podatki Adamantidis et al., 2007). (B) Stimulacija LC nevronov s ChR2 povzroči takojšnje delovanje ...

Te rezultate so pred kratkim potrdili Sasaki in sodelavci (Sasaki idr., 2011), ki je uporabil farmakogenetski pristop, imenovan Designer Receptors, ki ga izključno aktivirajo oblikovalska zdravila (DREADD), da aktivira in zavira nevronsko aktivnost hcrt. Tehnologija DREADD omogoča bimodalno modulacijo nevronske aktivnosti z časovno ločljivostjo več ur (Dong et al., 2010). Ugotovili so, da aktiviranje hcrt nevronske aktivnosti povečuje budnost, medtem ko je zatiranje hcrt aktivnosti spodbujalo SWS.

V drugi študiji (Carter in sod., 2009) smo pokazali, da je nadzor prehoda med spanjem in budnostjo pod hcrtom odvisen od procesov homeostaze spanja, saj prehodi spanja v budnost, ki jih posreduje hcrt, blokirajo povečan pritisk spanja (ki ga povzroča pomanjkanje spanja). Vendar je učinek optogenetskih stimulacij hcrt vztrajal pri izločilnih hipotaminskih dekarboksilaznih miših (miših, ki ne morejo sintetizirati histamina), kar kaže na to, da je še ena tarča, da je za učinek hcrt odgovoren histaminergični sistem. Nazadnje smo pokazali, da so vzbujajoči centri vzbujanja, kot so LC nevroni, povečali svojo aktivnost (merjeno z izražanjem c-Fos) kot odgovor na hcrt optogenetsko stimulacijo. Ker je prejšnje delo pokazalo vzbujajoč učinek hcrt na LC NE nevrone (Bourgin et al., 2000), raziskali smo povezavo hcrt-LC in eksperimentalne raziskave osredotočili na noradrenergični LC kot novo tarčo optogenetske manipulacije.

V tretji raziskavi (Carter in sod., 2010) smo genetsko usmerili nevrone LC-NE s stereotaksično injekcijo Cre-rekombinatno odvisnega virusa, povezanega z adeno-asociacijo (rAAV), v miši, ki selektivno izražajo Cre v nevronih tirozin hidroksilaze (TH) (Atasoy et al., 2008; Tsai in sod., 2009). Ugotovili smo, da sta NpHR in ChR2 funkcionalna in lahko zavirata in aktivirata nevrone LC-NE in vitro in vivo (Slika (Figure1B) .1B). Ugotovili smo, da je optogenetska nizkofrekvenčna (1 – 10 Hz) stimulacija nevronov LC-NE povzročila takojšnje (manj kot 5 s) prehode spanja v budnost iz spanja SWS in REM. Stimulacija LC nevronov med budnostjo je povečala lokomotorno aktivnost in skupni čas budnosti, kar potrjuje močan vznemirljivi učinek. Nasprotno je utišanje LC-NE nevronov, ki jih posreduje NpHR, skrajšalo trajanje epizod budnosti, vendar med spanjem živali ni blokiralo prehoda med spanjem in prebujanja. Skupaj je ta študija pokazala, da je aktiviranje nevronov LC-NE potrebno za vzdrževanje normalnega trajanja budnosti (eksperiment NpHR) in zadostno za sprožitev takojšnjih prehodov med spanjem in prebujanja, trajne budnosti in povečanega lokomotornega vzburjenja. Tako smo predlagali, da LC-NE nevroni delujejo kot sistem hitrega uravnavanja za spodbujanje prehodov med spanjem in prebujanja ter splošno vzburjenje. Zanimivo je, da smo ugotovili, da trajna optična aktivacija LC-NE nevronov povzroči lokomotorni zastoj (Carter et al., 2010). Takšni vedenjski zapori imajo skupne simptome s katapleksijo, katatonijo ali vedenjsko zamrznitvijo tako pri živalskih modelih kot pri človeških bolnikih (Scammell et al., 2009). Možni mehanizmi lahko vključujejo izčrpavanje NE iz terminalov sinapse LC-NE ali prekomerno vzbujanje LC-NE motoričnih jeder možganskega debla, kar bi privedlo do ohromelosti. Za razkritje osnovnih mehanizmov je potrebna nadaljnja študija.

V najnovejši raziskavi (Carter in sod., 2012) smo preizkusili hipotezo, da aktivnost LC spreminja učinke nevrona hcrt na prehode med spanjem in budnostjo. Ker se živčni populaciji hcrt in LC nahajata v različnih možganskih regijah, je fizično mogoče istočasno dostopati do obeh struktur pri isti živali. Zato smo uporabili dvojni optogenetski pristop za stimulacijo nevronov hcrt, hkrati pa zavirali ali stimulirali noradrenergične LC nevrone med spanjem SWS. Ugotovili smo, da utišanje LC nevronov med stimulacijo hcrt blokira prehode spanja v budnost, posredovane s hcrt (slika (Figure1C) .1C). V nasprotju s tem smo ugotovili, da povečamo ekscitabilnost LC nevronov s pomočjo aktivacije opsina s stopnjo funkcije - ki povečajo ciljne celice (Berndt et al., 2009) - s stimulacijo hcrt (z uporabo spodbujevalnega protokola LC, ki sam po sebi ne poveča prehodov med spanjem v budnost), okrepljeni hcrt-posredovani prehodi med spanjem v budnost (slika (Figure1D) .1D). Naši rezultati skupaj kažejo, da LC deluje kot nujen in zadosten efektor za prehod na SWC, ki ga posreduje hcrt v neaktivnem obdobju.

hcrt in LC-NE dinamika sistema

Skozi naše eksperimentalne študije smo opazili, da optogenetska manipulacija hcrt in LC-NE nevronov vpliva na spanje in prebujanje prehodov z dramatično drugačno časovno dinamiko (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Akutna optična aktivacija hcrtnih nevronov povzroči prehod med spanjem in budnostjo v časovnem obdobju 10 – 30 s, medtem ko stimulacija nevronov LC povzroči prehod med spanjem in budnostjo v manj kot 5 s. Ena od razlag je, da lahko nevroni hcrt delujejo kot gornji integrator vzburjenja med funkcijami, povezanimi s hipotalamiko, medtem ko sistem LC-NE deluje kot primarni dejavnik vzburjenja, stresa in pozornosti. Vendar so verjetno, da so nevronski efektorski sistemi odvečni in aktivirani z različnimi nizi vhodov. Zato ne moremo izključiti, da bi blokada drugih vzburjnih sistemov, kot sta centralni histaminergični in holinergični sistem, v drugih eksperimentalnih pogojih močno vplivala na prehoda, ki jih povzročajo hcrt.

Poleg teh kratkoročnih učinkov je zanimivo tudi, da so trajni (tj. Polkronični) poskusi fotostimulacije ~ 1 – 4 h hcrtnih nevronov povečali prehod med spanjem in prebujanja, ne da bi spremenili skupno trajanje budnosti, medtem ko so dolgoročne fotostimulacija nevronov LC-NE je znatno povečala trajanje budnosti. Ti rezultati kažejo, da lahko sistem hcrt uravnava meje med spanjem in budnostjo, medtem ko lahko nevroni LC-NE raje nadzorujejo trajanje budnosti s povečanjem potenciala kortikalne membrane in desinhroniziranjem kortikalne EEG.

Hipotalamična lokalizacija hcrtnih nevronov pomeni, da imajo te celice izrazito vzburljivo vlogo med homeostatskimi procesi, vključno s spolnim vedenjem, hranjenjem s hrano, stresnim odzivom in motivacijo. Poleg nadzorovanja budnosti sistemi vzburjenja sodelujejo tudi pri vedenju, ki ga išče nagrajevanje, spolni aktivnosti, odzivu med letom ali bitko itd. Ta odpust je lahko okrepila delovanje vzburjenja skozi evolucijo in raznolike možganske mehanizme, ki podpirajo budnost in vedenje, povezano z vzburjenjem. preživetje. Na primer, aktiviranje sistema LC-NE poveča vzburjenje in povzroči tesnobe podobno vedenje (Itoi in Sugimoto, 2010). Nasprotno pa sistem nevropeptida S (NPS), peptida, ki ga proizvaja omejena populacija nevronov, ki je vstopila v LC, prav tako poveča vzburjenje, zmanjšuje tesnoba (Pape in sod., 2010). Tako bi morali za podporo tako raznolikih vedenjskih funkcij doseči visoko raven specifikacij, po možnosti s selektivno razdelitvijo njihovih aferentnih in eferentnih povezav, oddajniki / modulatorji sprostijo zmogljivosti in usklajeno delovanje z drugimi vzbujevalnimi vezji.

Obeti

V zadnjih petih letih je kombinacija optogenetike, gensko spremenjenih modelov mišk in EEG / EMG analize spanja zagotovila edinstven in močan nabor orodij za nadaljnje razumevanje prispevka sistemov hcrt in LC k vzburjenju, pa tudi druge populacije nevronov, ki uravnavajo stopnjo spanja in budnosti. Ciljanje optogenetskih sond na druge populacije nevronov v možganih bo določilo njihove posamezne in kombinirane vloge v mejah spanja / budnosti. Poleg tega nam bodo ta orodja omogočila, da na podlagi anatomskih projekcij, sinaptične nevrotransmisije in dinamike sproščanja oddajnika določimo možganski mehanizem, ki je v osnovi budnih stanj. Sposobnost usmerjanja in selektivnega manipuliranja teh vezij z visoko časovno natančnostjo (<1 s) nadalje omogoča možnost raziskave njihove vloge v širokem spektru vedenj, kot so vnos hrane, zasvojenost, stres, pozornost in spolno vzburjenje. Na koncu lahko te študije razkrijejo patofiziološke mehanizme psihiatričnih motenj, kot so kronična tesnoba, zasvojenost, pomanjkanje pozornosti in depresija.

Priznanja

Reference