Funktionell ledning av hypokretin och LC-NE neuroner: konsekvenser för upphetsning (2013)

Abstrakt

Sömn och vakenhet är två ömsesidigt exklusiva tillstånd som cyklar med både ultradiska och djuptider i hela djurriket. Vakenhet är ett medvetet tillstånd där ett djur kan förstå och interagera med sin omgivning. Efter långvarig vakenhet ökar sömnstrycket och leder till sömnens början som kännetecknas som en period av relativ inaktivitet med stereotyp hållning och högre sensorisk tröskel.

Hos däggdjur är sömn vanligtvis uppdelad i långsam vågsömn (SWS eller NREM-sömn hos människor) och snabb ögonrörelse (REM) sömn (även kallad ”paradoxisk sömn”). Vakenhet, SWS och REM-sömn är distinkta beteendestillstånd som kan definieras med exakta elektroencefalografiska (EEG) och elektromyografiska (EMG) funktioner. Under vakning dominerar svängningar med låg amplitud, blandad frekvens. SWS kännetecknas av långsamma svängningar med hög amplitud (0.5 – 4 Hz) vars övervägande (mätt med EEG-effekttätheten) återspeglar sömnens djup. REM-sömn är ett singulärt beteendestillstånd, kännetecknat av snabbare, blandade frekvenssvängningar, bland vilka teta (5 – 10 Hz) -svängningar dominerar i gnagare, åtföljt av muskelatoni, samt svängningar i hjärtat och andningsfrekvensen.

Även om tillstånd för sömn och vakenhet är kvalitativt och kvantitativt lätta att karakterisera, är det förvånansvärt svårt att definiera vad som menas med ”upphetsning.” Termen upphetsning hänvisar vanligtvis till graden av vaksamhet och vakenhet under vakenhet, vilket visar sig som ökad motorisk aktivering, lyhördhet till sensoriska insatser, emotionell reaktivitet och förbättrad kognitiv bearbetning.

Hjärnmekanismerna bakom organisationen av sömn-vakningscykeln och den allmänna uppväckningsnivån förblir oklara och många klassiska studier har identifierat flera populationer av nervceller vars aktivitet korrelerar med distinkta beteendestillstånd. Ursprungligen antogs att nervceller som är aktiva före beteendeövergångar (dvs. neuroner som är aktiva före en sömn-till-vakna övergång) främja det kommande tillståndet, medan neuroner som är aktiva under ett specifikt tillstånd (vakenhet eller sömn) är viktiga för bibehålla Det. Denna uppfattning görs mer komplicerad av förståelsen att neuroner i ett nätverk kan visa tillståndgränsassocierad aktivitet på grund av anslutning till andra, mer kausala neuroner utan att själva direkt ansvara för tillståndsövergångar. Icke desto mindre har det generellt slutsats att det finns neurala populationer som spelar en kausal roll i sömn- och / eller upphetsningstillstånd. Befolkningar som tros främja upphetsning inkluderar: hypocretin (hcrt - även kallad “orexiner”) - uttrycker neuroner i den laterala hypotalamus, den noradrenergiska locus coeruleus (LC) -uttryckande neuroner i hjärnstammen, den serotoninerga dorsala raphe-kärnan (DRN) i hjärnstammen, den histaminerga tuberomammilära kärnan (TMN) i den bakre hypotalamus, den kolinergiska pedunculopontin (PPT) och laterodorsala tegmentala (LDT) kärnor i mellanhjärnan, såväl som kolinergiska nervceller i basala förhjärnan (Jones, 2003). Däremot är hämmande neuroner från främre hypotalamiska strukturer aktiva under SWS, medan Melanin-Concentrating Hormone (MCH) neuroner från den laterala hypothalamus, liksom glutamatergiska och GABAergiska neuroner från hjärnstammen är aktiva under REM-sömn (Fort et al., 2009).

Under de senaste åren har vi och andra börjat använda optogenetisk teknik med olika musmodeller för att ta itu med frågor som Hur reglerar upphetsningssystem vakenhet och upphetsning? Hur interagerar de funktionellt för att främja, upprätthålla eller bredda upphetsning i specifika sammanhang? I våra senaste studier har vi varit särskilt intresserade av neuroner som uttrycker hcrt (de Lecea et al., 1998; Sakurai et al., 1998). Hcrt är två neuro-exciterande peptider (de Lecea et al., 1998; Sakurai et al., 1998) produceras i ~ 3200 nervceller i musens laterala hypothalamus (~ 6700 och 50,000 – 80,000 i respektive råtta- och mänskliga hjärnor) (de Lecea och Sutcliffe, 2005; Modirrousta et al., 2005). Dessa neuroner får funktionella insignaler från flera system distribuerade i cortex, limbiska systemet, subkortikala områden inklusive hypotalamus själv, thalamus och uppstigande projektioner från hjärnstammen kolinergiska kärnor, retikulär bildning, mittkärnan raphe kärnor och periaqueductal grå. I sin tur projicerar dessa neuroner i hela centrala nervsystemet, inklusive till upphetsning och belöning av hjärnan, till neuroner som uttrycker hcrt-receptorer (OX1R och OX2R). De afferenta och efferenta prognoserna av hcrt-neuroner antyder att de spelar en roll i flera hypotalamiska funktioner inklusive reglering av sömn / vakningscykeln och målinriktade beteenden. Intressant nog har vi funnit att en specifik efferent projektion från hcrt-neuroner till noradrenerga LC-neuroner förmedlar övergångar mellan sömn och vakna och eventuellt mer allmänna aspekter av upphetsning.

Här sammanfattar vi de senaste optogenetiska experimenten som testar hypotesen att hcrt- och LC-neuroner orsakar övergångar och underhåll av väckande tillstånd (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Först markerar och sammanfattar vi tidigare rapporter om dessa system med traditionella genetiska och farmakologiska tekniker. Därefter integrerar vi våra egna resultat med hjälp av optogenetiska sonder för att selektivt stimulera eller hämma dessa system i fritt rörliga möss. Slutligen diskuterar vi olösta frågor och spekulerar i framtida anatomiska och funktionella dissektioner av upphetsningskretsar.

Hypokretiner, vakenhet och narkolepsi

hcrt-neuroner är vanligtvis tyst under tyst vakenhet, SWS och REM-sömn men uppvisar höga urladdningshastigheter under aktiv övervakning och REM-sömn-till-vakna övergångar (Lee et al., 2005; Mileykovskiy et al., 2005; Takahashi et al., 2008; Hassani et al., 2009). Dessutom visar de höga urladdningshastigheter under upphetsning som framkallas av miljöstimuli (t.ex. en hörselstimulus) (Takahashi et al., 2008) och målorienterat beteende (Mileykovskiy et al., 2005; Takahashi et al., 2008). Dessa studier tyder på att hcrt-neuroner deltar i övergångar mellan sömn och vakna, liksom i den ökade vakenheten som observerats under olika målinriktade beteenden.

Blockad eller undertryckning av hcrt-signalering visar att hcrt är nödvändigt för beteendestatus integritet hos möss, råttor, hundar, människor och eventuellt sebrafiskar (Sakurai, 2007; Yokogawa et al., 2007). Det mest övertygande beviset för förlust av funktion kommer faktiskt från sambandet mellan hcrt-brist och symtomen på narkolepsi (Peyron et al., 2000; Saper et al., 2010). Narkoleptiska patienter med kataplexi har en fullständig frånvaro av hcrt gentranskript i hypothalamus såväl som icke eller knappt detekterbara nivåer av hcrt i cerebrospinalvätskan (Thannickal et al., 2000; Sakurai, 2007; Yokogawa et al., 2007). Doberman narkoleptiska hundar har en mutation i OX2R, och alla genetiskt konstruerade gnagare med antingen en radering av hcrt, OX2R, eller hcrt-celler uppvisar beteendearrestationer som liknar kataplexi, kännetecknet för narkolepsi (Jones, 2003; Sakurai, 2007; Sehgal och Mignot, 2011). Viktigare är genetisk räddning av hcrt genuttryck lindrade narkolepsisymtom hos möss (Liu et al., 2011; Blanco-Centurion et al., 2013).

Intracerebroventrikulär (icv) infusion av hcrt-peptider eller hcrt-agonister orsakar en ökning av den tillbringade tiden vaken och en minskning av SWS- och REM-sömn [recension i Sakurai (2007)]. Stereotaktisk injektion av peptiden i LC, LDT, basal förhjärna eller den laterala hypotalamusen ökade vakenheten och lokomotorisk aktivitet ofta associerad med en markant minskning av SWS och REM-sömn (Hagan et al., 1999). På senare tid inducerade genetisk dis-hämning av hcrt-neuroner med användning av en selektiv GABA-B-receptorgen-deletion endast i hcrt-neuroner allvarlig fragmentering av sömn / väckningstillstånd under både ljusa och mörka perioder utan att ha visat en abnormitet i total sömn / vakna varaktigheter eller tecken av kataplexi (Matsuki et al., 2009). Sammantaget tyder dessa data på att hcrt-peptiderna är viktiga för att definiera gränserna mellan sömnen och vakna tillstånd, vilket visas av fragmenteringen av sömn och väckningstillstånd i djurmodeller av narkolepsi.

Även om det är allmänt dokumenterat att den biologiska funktionen hos hcrt-peptider är nödvändig för att upprätthålla lämplig upphetsning och sömn, är det fortfarande oklart vilken av de två hcrt-receptorerna, OX1R eller OX2R, som är biologiskt ansvarig för hcrt's effekter på upphetsning, liksom sömnstabilitet och muskelkontroll. OX1R mRNA uttrycks i många hjärnområden, särskilt LC, raphe kärnor, LDT medan OX2R mRNA visar ett komplementärt uttrycksmönster i cerebral cortex, raphe-kärnor såväl som dorsomedial och posterior (i tuberomammillary nucleus) hypothalamus (Trivedi et al., 1998; Marcus et al., 2001; Mieda et al., 2011). Således har det föreslagits att kontrollen av vakenhet och NREM sömn-till-vaken beror kritiskt på OX2R (Mochizuki et al., 2011) medan dysreguleringen av REM-sömn (unik för narkolepsi-kataplexi) resulterar från förlust av signalering genom både OX1R och OX2R (Mieda et al., 2011). Imidlertid är deras konsekvenser för reglering av narkolepsi, särskilt kataplexi och sömnattack, oklara. Hundar med ärftlig narkolepsi har en noll mutation i OX2R gen (Lin et al., 1999) och motsvarande musmodell, OX2R KO-möss visar mindre allvarliga symptom än hundarna (Willie et al., 2003). Även om OX1R deltar i regleringen av upphetsning (Mieda et al., 2011), återstår dess bidrag till symptomen på narkolepsi att karakteriseras ytterligare.

Det är viktigt att aktivitet i andra upphetsningssystem störs starkt under kataplexi. LC-neuroner upphör med urladdning (Gulyani et al., 1999) och serotoninerga nervceller minskar deras aktivitet signifikant (Wu, 2004) medan celler lokaliserade i amygdala (Gulyani et al., 2002) och TMN visade en ökad nivå av skjutning (John et al., 2004). Denna förening antyder att både OX1R (LC, raphe) och OX2R (TMN, raphe) är involverade i upprätthållandet av lämplig muskelton. Nyligen genomförda studier belysade också förändrade kolinergiska system för att utlösa kataplexi i narkoleptiska möss (Kalogiannis et al., 2011, 2010). Därför är ett viktigt, olöst mål att identifiera funktionella ledningar för hcrt-neuroner, liksom dynamiken i synaptisk frisättning från hcrt-terminaler för att exakt avgränsa nedströmsprojektionerna (de Lecea et al., 2012) som kontrollerar upphetsning, sömnstillstånd, muskelton och målorienterat beteende.

Locus coeruleus, noradrenalin och upphetsning

LC är intill 4^th ventrikel i hjärnstammen och innehåller nervceller som syntetiserar monoamin noradrenalin (NE). Även om fyra andra cellpopulationer också producerar NE (A1-, A2-, A5- och A7-cellgrupperna) producerar LC ~ 50% av hjärnans totala NE och är den enda källan till cortex. Det finns många funktionella NE-receptorer i hela hjärnan, med α1- och β-receptorer som vanligtvis orsakar excitatoriska postsynaptiska potentialer och α2-receptorer som vanligtvis orsakar hämmande postsynaptiska potentialer. a2-receptorer finns tätt på LC-nervceller (Berridge och Waterhouse, 2003) själva och fungerar som hämmande autoreceptorer för att undertrycka inneboende aktivitet.

Inspelningar i vakna beteende djur visar att LC-neuroner avfyrar toniskt vid 1 – 3 Hz under vakna tillstånd, avfyrar mindre under SWS-sömn och är praktiskt taget tyst under REM-sömn (Aston-Jones och Bloom, 1981; Jones, 2003; Saper et al., 2010). LC avfyrar också fas i korta skurar av 8 – 10 Hz under presentationen av framträdande stimuli som kan öka väckningstiden. Liksom hcrt-neuroner föregår förändringar i urladdningshastighet förändringar i övergång mellan sömn och vakna (Aston-Jones och Bloom, 1981), vilket antyder att dessa celler är viktiga för övergångar till vakenhet eller uppmärksamhet.

Intressant är att fysiska lesioner av LC inte framkallar konsekventa förändringar i kortikala EEG eller beteendeindex för upphetsning (Lidbrink, 1974; Blanco-Centurion et al., 2007). Genetisk ablation av dopamin-beta-hydroxylas, ett enzym som krävs för NE-syntes, stör inte sömnväckningstillstånd (Hunsley et al., 2006). Detta antyder förekomsten av redundanta neurala kretsar, externa till LC-strukturen, respektive stöd för kortikal aktivitet och kompensatoriska utvecklingsmekanismer. Emellertid centrala injektioner av farmakologiska antagonister av α1 och β noradrenerga receptorer (Berridge och España, 2000) eller agonister av hämmande a2 autoreceptorer (De Sarro et al., 1987) har betydande lugnande effekter. Central administration av NE direkt in i ventriklarna eller förhjärnan främjar vakenheten (Segal och Mandell, 1970; Flimmer och Geyer, 1982). Stimulering av neuroner i LC genom användning av lokala mikroinjektioner av en kolinerg agonist (bethanechol) ger snabb aktivering av förhjärnets EEG i halotanbedövade råttor (Berridge och Foote, 1991). Nyligen visade sig LC-NE-systemet vara avgörande för att bibehålla den ökade membranpotentialen för kortikala nervceller i vaken jämfört med sömntillstånd (Constantinople och Bruno, 2011). Sammantaget innebär dessa studier att LC-NE-systemet desynkroniserar kortikal aktivitet och ökar kortikalt membranpotential för att öka upphetsningen.

Optogenetisk dissektion av hcrt- och LC-NE-kontroll av upphetsning

Aktiviteten hos hcrt- och LC-NE-neuroner korrelerar med övergång mellan sömn och vakna, men det har varit svårt att selektivt stimulera eller hämma specifika hcrt- och LC-NE-populationer med en temporär upplösning som är relevant för sömn- eller vakenhetsepisoder och att uppnå rumslig selektivitet för att undersöka dessa celler utan att påverka omgivande celler eller genomgående fibrer. I ett försök att bättre förstå den tidsmässiga dynamiken i neuralkretsar för vakenhet, använde vi nyligen optogenetik för att reversibelt och selektivt manipulera aktiviteten hos hcrt- och LC-neuroner i fritt rörliga djur (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Optogenetics använder aktuatoropsinmolekyler (t.ex. kanalhodopsin-2 (ChR2) eller halorhodopsin — NpHR) för att selektivt aktivera eller tystna genetiskt riktade celler respektive med ljusblinkar vid specifik våglängd (Boyden et al., 2005). Mer information om optogenetisk teknik finns i många andra utmärkta recensioner (Zhang et al., 2006; Miesenbock, 2009; Scanziani och Häusser, 2009; Yizhar et al., 2011; Deisseroth, 2012).

För att leverera dessa ställdon till hcrt- eller LC-neuroner använde vi lentivirala och cre-beroende adeno-associerade virala (AAV) genleveransverktyg, respektive, under kontroll av celltypspecifika promotorer (Adamantidis et al., 2007). För att leverera ljus till hcrt- eller LC-fältet designade vi optiska-neurala gränssnitt där optiska fibrer kroniskt implanterades på mushuvudet, såsom beskrivs på annat håll (Adamantidis et al., 2005, 2007; Aravanis et al., 2007; Zhang et al., 2010). Med hjälp av denna strategi kunde vi styra hcrt neural aktivitet båda vitro och in vivo- med millisekund-exakt optisk stimulering (Adamantidis et al., 2007). Den höga temporära och rumsliga precisionen för stimulering tillät oss att efterlikna det fysiologiska området för hypocretin neuron-urladdningshastigheter (1 – 30 Hz) (Hassani et al., 2009). Vi använde faktiskt lätta pulståg för vår optogenetiska stimulering som baserades på parametrar för den faktiska frekvensanalysen av hcrt-neuroner in vivo- (detta gäller också för optogenetisk kontroll av LC-NE-neuroner som beskrivs nedan). Vi fann att direkt ensidig optisk stimulering av hcrt-neuroner ökade sannolikheten för övergångar till vakenhet från antingen SWS eller REM-sömn (figur (Figure1A) .1A). Intressant nog reducerade högfrekvent optisk stimulering (5 – 30 Hz ljuspulståg) latensen till vakenhet medan 1 Hz-tåg inte gjorde det, vilket tyder på en frekvensberoende synaptisk frisättning av neurotransmitter (glutamat) och neuromodulatorer, inklusive hcrt eller dynorphin från terminalerna. Vi visade vidare att effekterna av stimulerande hcrt-nervceller kunde blockeras genom injektion av en OX1R-antagonist eller genom genetisk radering av hcrt-genen, vilket antyder att hcrt-peptider medierar, åtminstone delvis, optogenetiskt-inducerade sömn-till-vakna övergångar. Dessa resultat visar att hcrt-frisättning från hcrt-uttryckande neuroner är nödvändig för de väckningsfrämjande egenskaperna hos dessa neuroner. Det är viktigt att dessa resultat visar en orsakssamband mellan hcrt-neuronaktivering och sömn-till-vakna övergångar, i överensstämmelse med tidigare korrelativa studier. Detta stöds ytterligare av det faktum att optisk tystnad av hcrt-neuroner främjar SWS (Tsunematsu et al., 2011).

 

Figur 1

Optogenetisk dissektion av upphetsningskretsar i hjärnan. (EN) Stimulering av hcrt-nervceller med ChR2 orsakar en minskning av latens mellan vila och vakna vid 10 Hz men inte 1 Hz (data från Adamantidis et al., 2007). (B) Stimulering av LC-neuroner med ChR2 orsakar omedelbar .

Dessa resultat bekräftades nyligen av Sasaki och kollaboratörer (Sasaki et al., 2011), som använde ett farmakogenetiskt tillvägagångssätt kallat Designer Receptors Exclusiveively Activated by Designer Drugs (DREADDs) för att aktivera och undertrycka hcrt-neural aktivitet. DREADD-teknik tillåter bimodal modulering av nervaktivitet med temporär upplösning på flera timmar (Dong et al., 2010). De fann att aktivering av hcrt-nervaktivitet ökade vakenheten medan undertryckning av hcrt-aktivitet främjade SWS.

I en andra studie (Carter et al., 2009) visade vi att hcrt-kontroll av sömn-vakna övergångar är beroende av sömnhomeostaseprocesser eftersom hcrt-medierade sömn-till-vakna övergångar blockeras av ökat sömntryck (orsakat av sömnbrist). Effekten av optogenetiska stimuleringar av hcrt kvarstod emellertid i histamin-dekarboxylas-knockout-möss (möss som inte kan syntetisera histamin) vilket tyder på att ett annat mål som det histaminergiska systemet är ansvarigt för effekten av hcrt. Slutligen visade vi att nedströms upphetsningscentra såsom LC-neuronerna båda ökade sin aktivitet (mätt med c-Fos-uttryck) som svar på hcrt optogenetisk stimulering. Eftersom tidigare arbete visade en exciterande effekt av hcrt på LC NE-neuroner (Bourgin et al., 2000) undersökte vi hcrt-LC-anslutningen och fokuserade våra experimentella undersökningar på den noradrenerga LC som ett nytt mål för optogenetisk manipulation.

I en tredje studie (Carter et al., 2010), genetiskt riktade LC-NE-neuroner genom stereotaxisk injektion av ett Cre-rekombinasberoende adeno-associerat virus (rAAV) i knock-in-möss som selektivt uttrycker Cre i tyrosinhydroxylas (TH) -neuroner (Atasoy et al., 2008; Tsai et al., 2009). Vi fann att både NpHR och ChR2 var funktionella och kunde hämma respektive aktivera LC-NE-neuroner båda vitro och in vivo- (Figur (Figure1B) .1B). Vi fann att optogenetisk lågfrekvens (1 – 10 Hz) -stimulering av LC-NE-neuroner orsakade omedelbara (mindre än 5 s) sömn-till-vakna övergångar från både SWS och REM-sömn. Stimulering av LC-neuroner under vakenheten ökade den lokomotoriska aktiviteten och den totala tiden som vaknat, vilket bekräftar den starka upphetsningseffekten. Däremot minskade NpHR-medierad tystnad av LC-NE-neuroner varaktigheten för vakna avsnitt men blockerade inte övergång mellan sömn och vakna när djur sov. Sammantaget visade denna studie att aktivering av LC-NE-neuroner är nödvändig för att upprätthålla normal vakansvaraktighet (NpHR-experiment), och tillräcklig för att inducera omedelbara sömn-till-vakna övergångar, långvarig vakenhet och ökad lokomotorisk upphetsning. Således föreslog vi att LC-NE-nervcellerna fungerar som ett snabbtinställningssystem för att främja övergång mellan sömn och vakna och generell upphetsning. Intressant nog fann vi att långvarig optisk aktivering av LC-NE-neuroner inducerar lokomotorstopp (Carter et al., 2010). Sådana beteendearrestationer delar vanliga symtom med kataplexi, katatoni eller beteendefrysning både i djurmodeller och humana patienter (Scammell et al., 2009). Möjliga mekanismer kan involvera NE-utarmning från LC-NE-synapsterminaler eller LC-NE-överexcitation av hjärnstammens motorkärnor som skulle leda till förlamning. Ytterligare studier krävs för att ta upp de underliggande mekanismerna.

I vår senaste studie (Carter et al., 2012), testade vi hypotesen att LC-aktivitet gates hcrt neurons effekter på sömn-till-vakna-övergångar. Eftersom hcrt- och LC-neuralpopulationer ligger i olika hjärnregioner är det fysiskt möjligt att komma åt båda strukturerna samtidigt i samma djur. Vi tog därför en dubbel optogenetisk metod för att stimulera hcrt-neuroner samtidigt som vi inhiberade eller stimulerade noradrenerga LC-neuroner under SWS-sömn. Vi fann att tystnad av LC-nervceller under hcrt-stimulering blockerade hcrt-medierad sömn-till-väck-övergång (Figur (Figure1C) .1C). Däremot fann vi att öka excitabiliteten för LC-neuroner genom aktivering av steg-funktion-opsin (SFO) - vilket ökar målcellerna (Berndt et al., 2009) - torkning av hcrt-stimulering (med hjälp av ett LC-stimuleringsprotokoll som i sig själv inte ökar övergångarna mellan sömn och vakna) förbättrade hcrt-medierade sömn-till-vaknar-övergångar (figur (Figure1D) .1D). Sammantaget visar våra resultat att LC fungerar som en nödvändig och tillräcklig nedströmseffektor för hcrt-medierade SWS-to-wake-övergångar under den inaktiva perioden.

hcrt- och LC-NE-systemdynamik

I våra experimentella studier observerade vi att optogenetisk manipulation av hcrt- och LC-NE-neuroner påverkar övergångar mellan sömn och väckning med dramatiskt olika temporär dynamik (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Akut optisk aktivering av hcrt-neuroner orsakar övergång mellan sömnen och vaknar över en tidsperiod av 10 – 30 s, medan stimulering av LC-neuroner orsakar sömn-till-vakna övergångar på mindre än 5 s. En förklaring är att hcrt-neuroner kan fungera som en uppströms integrator av upphetsning under hypotalamikrelaterade funktioner medan LC-NE-systemet fungerar som en primär effekt för upphetsning, stress och uppmärksamhet. Emellertid är de neuronala effektorsystemen överflödiga och aktiveras av distinkta uppsättningar av ingångar. Därför kan vi inte utesluta att blockering av andra upphetsningssystem, såsom de centrala histaminergiska och kolinergiska systemen, också skulle påverka hcrt-inducerade beteendestatusövergångar under andra experimentella förhållanden.

Förutom dessa kortvariga effekter är det också intressant att upprätthållna (dvs halvkroniska) fotostimuleringsexperiment av ~ 1 – 4 h av hcrt-neuroner ökade sömn-till-vakna övergångar utan att ändra den totala varaktigheten av vakenhet, medan långtid fotostimulering av LC-NE-neuroner ökade signifikant vakenhetens varaktighet. Dessa resultat antyder att hcrt-systemet kan reglera gränserna för sömn-väckning medan LC-NE-neuroner snarare kan kontrollera väckningstiden genom att öka kortikalt membranpotential och desynkronisera den kortikala EEG.

Den hypotalamiska lokaliseringen av hcrt-nervceller innebär att dessa celler har en framträdande upphetsningsroll under homeostatiska processer, inklusive sexuellt beteende, matfoderering, stressrespons och motivation. Förutom deras kontroll av vakenhet deltar upphetsningssystem också i belöningssökande beteende, sexuell aktivitet, flyg-eller-kamp-svar, etc. Denna redundans kan ha en konsoliderad upphetsningsfunktion över hela utvecklingen och diversifierade hjärnmekanismer som stöder vakenhet och upphetsningsrelaterade beteenden som är nödvändiga för överlevnad. Exempelvis ökar aktivering av LC-NE-systemet upphetsning och orsakar ångestliknande beteenden (Itoi och Sugimoto, 2010). Däremot ökar neuropeptidsystemet (NPS), en peptid producerad av en begränsad neuronpopulation ventral till LC, också uppvaknande men minskar ångest (Pape et al., 2010). För att stödja sådana olika beteendefunktioner måste således upphetsningskretsar ha nått en hög specifikationsnivå, möjligen genom en selektiv avdelning av deras afferenta och efferenta anslutningar, sändare / modulatorer frigör kapacitet och sammanhängande aktivitet med andra upphetsningskretsar.

Perspektiv

Under de senaste fem åren har kombinationen av optogenetik, genetiskt modifierade musmodeller och EEG / EMG-analys av sömn gett en unik och kraftfull uppsättning verktyg för att ytterligare förstå bidragen från hcrt- och LC-systemen till upphetsning, liksom andra populationer av nervceller som reglerar grader av sömn och vakenhet. Att rikta optogenetiska sonder till andra populationer av nervceller i hjärnan kommer att avgöra deras individuella och kombinerade roller i sömn / vakna gränser. Dessutom kommer dessa verktyg att tillåta oss att bestämma hjärnmekanismen som ligger till grund för vakna tillstånd baserat på anatomiska utsprång, synaptisk neurotransmission och dynamiken i sändarens frigöring. Förmågan att rikta in sig på och selektivt manipulera dessa kretsar med hög tidsprecision (<1 s) möjliggör vidare möjligheten att undersöka deras roll i ett brett spektrum av beteenden som matintag, missbruk, stress, uppmärksamhet och sexuell upphetsning. I slutändan kan dessa studier avslöja de patofysiologiska mekanismerna för psykiatriska störningar som kronisk ångest, missbruk, uppmärksamhetsunderskott och depression.

Erkännanden

Referensprojekt