Wiring kazi ya hypocretin na LC-NE neurons: matokeo ya kuamka (2013)

abstract

Kulala na kuamka ni majimbo mawili ya kipekee ambayo yanazunguka kwa vipindi viwili vya kimedi na vya circadian katika ufalme wa wanyama. Kuamka ni hali ya fahamu ambayo mnyama anaweza kutambua na kuingiliana na mazingira yake. Baada ya kipindi cha muda mrefu cha kuamka, shinikizo la kulala huongezeka na husababisha mwanzo wa kulala ambao huonyeshwa kama kipindi cha kutokuwa na shughuli na mkao uliowekwa ndani na kizingiti cha juu cha hisia.

Katika mamalia, kulala kwa jumla hugawanywa kulala usingizi wa polepole (SWS, au usingizi wa NREM kwa wanadamu), na harakati za jicho la haraka (REM) kulala (pia huitwa "kulala kwa kitisho"). Kuamka, kulala na usingizi wa REM ni hali tofauti za kitabia ambazo zinaweza kuelezewa na usahihi wa elektrografitigraphic (EEG) na sifa za electromyographic (EMG). Wakati wa kuamka, kushuka kwa kiwango cha chini, mchanganyiko wa mzunguko-mchanganyiko mara kwa mara. SwS inaonyeshwa na upungufu wa juu wa kiwango cha juu (0.5-4 Hz) ambao umiliki wake (kama unavyopimwa na wiani wa nguvu ya EEG) unaonyesha kina cha kulala. Kulala kwa REM ni hali ya tabia ya umoja, inayojulikana na masafa ya kasi, na mchanganyiko, kati ya ambayo oscillations ya Theta (5-10 Hz) inatawala kwa fimbo, ikifuatana na atonia ya misuli, pamoja na kushuka kwa moyo na viwango vya kupumua.

Ingawa majimbo ya kulala na kuamka ni ya sifa na ni kawaida sifa, ni ngumu sana kufafanua nini maana ya "kuamka." Neno kuamka kawaida hurejelea kiwango cha umakini na macho wakati wa kuamka, kuonyesha kama uanzishaji wa gari, usikivu. kwa pembejeo za kihemko, kumbukumbu ya kihemko, na usindikaji wa utambuzi ulioimarishwa.

Utaratibu wa ubongo unaosimamia shirika la mzunguko wa kuamka-kulala na kiwango cha jumla cha arousal haijulikani wazi na tafiti nyingi za kitamaduni zimegundua idadi kadhaa ya neuroni ambayo shughuli zake zinaendana na mataifa ya tabia tofauti. Hapo awali ilifikiriwa kuwa neurons ambazo zinafanya kazi kabla ya mabadiliko ya tabia (yaani, neurons iliyotangulia kabla ya mabadiliko ya kuamka) kukuza hali inayokuja, wakati neurons ambazo zinafanya kazi wakati wa hali fulani (kuamka au kulala) ni muhimu kudumisha ni. Mtazamo huu hufanywa kuwa ngumu zaidi na uelewa kuwa neurons kwenye mtandao zinaweza kuonyesha shughuli zinazohusiana na mpaka kwa sababu ya kuunganishwa na neurons zingine zaidi za kujishughulisha bila kujijibika moja kwa moja kwa mabadiliko ya serikali. Walakini, kwa ujumla imekuwa ikiingizwa kuwa kuna idadi ya watu wa neural ambao huchukua jukumu la kusababisha kulala na / au majimbo ya kitawa. Idadi ya watu ambayo inadhaniwa kukuza ujumuishaji ni pamoja na: hypocretin (hcrt - inayoitwa pia "orexins") - inayoelezea neurons katika hypothalamus ya baadaye, ugonjwa wa neuron locus coeruleus (LC) -ukusisitiza neurons katika mfumo wa ubongo, mfumo wa serotoninergic dorsal raphe nuclei (DRN) katika mfumo wa ubongo, kiini cha histaminergic tuberomammilary (TMN) katika hypothalamus ya nyuma, cholinergic pedunculopontine (PPT) na baadaye ya seli ya uti wa mgongo, na pia neuroni ya cholinergic kwenye uti wa mgongo wa basal (Jones, 2003). Kwa kulinganisha, neurons za kuzuia kutoka kwa miundo ya hypothalamic ya anterior inafanya kazi wakati wa SWS, wakati Melanin-Concentrating Hormone (MCH) neurons kutoka hypothalamus ya baadaye, na vile vile glutamatergic na Gabaergic neurons kutoka mfumo wa ubongo zinafanya kazi wakati wa kulala kwa REM (Fort et al., 2009).

Katika miaka ya hivi karibuni, sisi na wengine tumeanza kutumia teknolojia ya optogenetic na aina anuwai ya panya kushughulikia maswali kama Je! Mifumo ya kusisimua inasimamia vipi uweza na kuamka? Je! Zinafanya kazije kushirikiana ili kukuza, kudumisha au kupanua arousali katika muktadha maalum? Katika masomo yetu ya hivi karibuni, tumevutiwa sana na neurons zinazoelezea hcrt (de Lecea et al., 1998; Sakurai et al., 1998). Hcrt ni peptides mbili za neuro-za kusisimua (de Lecea et al., 1998; Sakurai et al., 1998) iliyotengenezwa katika neurons ya ~ 3200 kwenye hypothalamus ya panya (~ 6700 na 50,000-80,000 kwenye panya na ubongo wa binadamu, mtawaliwa) (de Lecea na Sutcliffe, 2005; Modirrousta et al., 2005). Neurons hizi hupokea pembejeo za kazi kutoka kwa mifumo mingi iliyosambazwa kwenye cortex, mfumo wa limbic, maeneo ya kortini pamoja na hypothalamus yenyewe, thalamus, na makadirio yanayopanda kutoka kwa ubongo wa cholinergic nuclei, malezi ya reticular, nuclei ya mkojo wa katikati, na kijivu cha utaftaji. Kwa upande wake, hizi neurons zinafanya kazi katika mfumo mkuu wa neva, pamoja na kuamsha na kupeana malipo vituo vya ubongo, kwa neurons zinazoonyesha receptors hcrt (OX1R na OX2R). Makadirio ya ushirika na ufanisi wa neurons hcrt zinaonyesha kwamba wanachukua jukumu la kazi nyingi za kimwinyi ikiwa ni pamoja na kudhibiti mzunguko wa kulala / kuamka na tabia inayoelekeza malengo. Kwa kufurahisha, tumegundua kuwa makadirio fulani ya ufanisi kutoka kwa neuroni ya hcrt kwenda kwa mabadiliko ya neurons ya LC ya neuroni kupatanishi mabadiliko ya kulala na kuamka na uwezekano mkubwa zaidi wa mambo ya kujuana.

Hapa, tunatoa muhtasari majaribio ya hivi karibuni ya optogenetic ambayo yanajaribu hypothesis ambayo hcrt na LC neurons husababisha mabadiliko ya hali na matengenezo ya Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Kwanza, tunatoa muhtasari na muhtasari wa ripoti za zamani kuhusu mifumo hii kutumia mbinu za jadi za maumbile na maduka ya dawa. Ifuatayo, tunaunganisha matokeo yetu wenyewe kwa kutumia chembe za optogenetiki kuchagua au kuchochea mifumo hii kwa panya unaosonga kwa uhuru. Mwishowe, tunajadili maswali ambayo hayajasuluhishwa na kudhani juu ya sura za baadaye za anatomiki na kazi za mizunguko yenye nguvu.

Hypocretins, wake wake, na narcolepsy

Neurons hcrt kwa ujumla huwa kimya wakati wa kuamka kimya, SWS, na kulala kwa REM lakini huonyesha viwango vya juu vya kutokwa wakati wa kufanya kazi na mabadiliko ya kulala ya kuamka kwa REM (Lee et al., 2005; Mileykovskiy et al., 2005; Takahashi et al., 2008; Hassani et al., 2009). Kwa kuongezea, zinaonyesha viwango vya juu vya kutokwa wakati wa kusisimua na kuchochea mazingira (kwa mfano, kichocheo cha ukaguzi) (Takahashi et al., 2008) na tabia inayoelekeza malengo (Mileykovskiy et al., 2005; Takahashi et al., 2008). Masomo haya yanaonyesha kuwa neuroni hcrt inashiriki katika mabadiliko ya kulala-kwa-macho, na pia katika tahadhari inayoongezeka inayotazamwa wakati wa tabia mbali mbali zenye malengo.

Kuzuia au kukandamiza ishara ya hcrt inaonyesha umuhimu wa hcrt kwa uadilifu wa majimbo ya tabia katika panya, panya, mbwa, wanadamu, na labda pundamilia (Sakurai, 2007; Yokogawa et al., 2007). Hakika, dhibitisho la upotezaji wa-kazi ya lazima linatokana na kiunga kati ya upungufu wa hcrt na dalili za ugonjwa wa narcolepsy (Peyron et al., 2000; Saper et al., 2010). Wagonjwa wa narcoleptic na cataplexy wanakosa kabisa hcrt maandishi ya jeni kwenye hypothalamus na vile vile viwango visivyo vya au visivyoonekana vya hcrt kwenye giligili ya ubongo (Thannickal et al., 2000; Sakurai, 2007; Yokogawa et al., 2007). Mbwa wa mbwa wa doberman narcoleptic hubeba mabadiliko ndani OX2R, na panya zote zilizoundwa genetiki kwa kufutwa kwa hcrt, OX2R, au seli za hcrt zinaonyesha kukamatwa kwa kitamaduni ambayo ni sawa na manati, alama kuu ya narcolepsy (Jones, 2003; Sakurai, 2007; Sehgal na Mignot, 2011). Muhimu, uokoaji wa maumbile wa hcrt usemi wa jeni uliopunguza dalili za ugonjwa wa panya katika panya (Liu et al., 2011; Blanco-Centurion et al., 2013).

Uingizaji wa intracerebroventricular (icv) wa peptidi za hcrt au agonist ya hcrt husababisha kuongezeka kwa wakati unaotumika na kupungua kwa SWS na kulala kwa REM [hakiki katika Sakurai (2007)]. Sindano ya stereotactic ya peptidi katika LC, LDT, uso wa basal, au hypothalamus ya baadaye iliongezeka kuamka na shughuli za locomotor mara nyingi zinazohusishwa na kupunguzwa kwa alama kwa usingizi wa SWS na REM (Hagan et al., 1999). Hivi majuzi, kizuizi cha maumbile ya neuroni ya hcrt inayotumia kufutwa kwa geni ya GABA-B iliyochaguliwa tu katika misururu ya hcrt ilisababisha kugawanyika kwa nguvu kwa majimbo ya kulala / kuamka wakati wa vipindi vyake vya mwanga na giza bila kuonyesha ukali katika dalati kamili ya kulala / kuamka au ishara. ya manati (Matsuki et al., 2009). Kwa pamoja, data hizi zinaonyesha kwamba peptidi hcrt ni muhimu kufafanua mipaka kati ya majimbo ya kulala na kuamka, kama inavyoonyeshwa na kugawanyika kwa usingizi na hali ya hali ya mifano ya wanyama wa narcolepsy.

Ingawa imeandikwa sana kwamba kazi ya kibaolojia ya peptidi ya hcrt ni muhimu kudumisha msisimko na kulala, bado haijulikani ni yupi kati ya vipokezi viwili vya hcrt, OX1R, au OX2R, anahusika kibaolojia kwa athari za hcrt juu ya kuamka, na vile vile utulivu wa kulala na udhibiti wa sauti ya misuli. OX1R mRNA imeonyeshwa katika maeneo mengi ya ubongo, haswa LC, raphe nuclei, LDT wakati OX2R mRNA inaonyesha muundo kamili wa usemi katika cortex ya ubongo, raphe nuclei, na dorsomedial na posterior (kwenye nukta ya tuberomammillary) hypothalamus (Tretri et al., 1998; Marcus et al., 2001; Mieda et al., 2011). Kwa hivyo, imependekezwa kuwa udhibiti wa uwekaji na usingizi wa kulala wa NREM unategemea sana OX2R (Mochizuki et al., 2011) wakati usumbufu wa usingizi wa kulala wa REM (kipekee kwa narcolepsy-cataplexy) hutokana na upotezaji wa kuashiria kupitia OX1R na OX2R (Mieda et al., 2011). Walakini, athari zao katika udhibiti wa narcolepsy, haswa manati na shambulio la kulala, bado haijulikani wazi. Mbwa na ugonjwa wa narcolepsy ya kuzaa huleta mabadiliko katika OX2R jeni (Lin et al., 1999) na mfano wa panya unaolingana OX2R Panya za KO, onyesha dalili nzito kuliko mbwa (Willie et al., 2003). Ingawa OX1R inashiriki katika udhibiti wa arousal (Mieda et al., 2011), mchango wake kwa dalili za ugonjwa wa narcolepsy unabaki kuwa na sifa zaidi.

Kwa kweli, shughuli katika mifumo mingine ya kujuana inashtushwa sana wakati wa manati. Neuroni za LC zinakoma kutokwa (Gulyani et al., 1999) na neva za serotoninergic hupunguza sana shughuli zao (Wu, 2004), wakati seli ziko katika amygdala (Gulyani et al., 2002) na TMN ilionyesha kiwango cha kuongezeka kwa risasi (John et al., 2004). Ushirika huu unaonyesha kwamba wote OX1R (LC, raphe), na OX2R (TMN, raphe) wanahusika katika utunzaji wa sauti inayofaa ya misuli. Uchunguzi wa hivi karibuni pia uliangazia jukumu la mifumo iliyobadilishwa ya mifumo ya cholinergic katika kuchochea manati katika panya wa narcoleptic (Kalogiannis et al., 2011, 2010). Kwa hivyo, lengo muhimu, ambalo halijasuluhishwa ni kubaini wiring ya kazi, na mienendo ya kutolewa kwa synaptic kutoka kwa vituo vya hcrt ili kufafanua kwa usahihi makadirio ya milisho (de Lecea et al., 2012) ambayo inadhibiti arousal, majimbo ya kulala, sauti ya misuli, na tabia zenye malengo.

The locus coeruleus, norepinephrine, na arousal

LC iko karibu na 4^th ventrikali katika mfumo wa ubongo na ina neuroni ambazo hutengeneza monoamine norepinephrine (NE). Ingawa idadi nyingine nne za seli pia huzalisha NE (A1, A2, A5, na vikundi vya seli za A7), LC hutoa ~ 50% ya jumla ya ubongo NE na ndiye chanzo pekee cha gamba. Kuna vipokezi vingi vya kazi vya NE ambavyo viko kwenye ubongo, na α1 na β receptors kawaida husababisha uwezo wa kusisimua wa postynaptic na vipokezi vya α2 kawaida husababisha uwezekano wa kuzuia postynaptic. Vipokezi vya α2 hupatikana sana kwenye neurons za LC (Berridge na Waterhouse, 2003) wenyewe na hutumikia kama inhibitory autoreceptors kukandamiza shughuli za ndani.

Rekodi za wanyama walio na tabia zinazoonyesha zinaonyesha kuwa LC neurons huwaka moto wakati wa 1-3 Hz wakati wa majimbo ya moto, moto mdogo wakati wa kulala kwa SWS, na huwa kimya wakati wa kulala kwa REM (Aston-Jones na Bloom, 1981; Jones, 2003; Saper et al., 2010). LC pia inawaka moto kwa kifupi katika mapumziko mafupi ya 8-10 Hz wakati wa uwasilishaji wa uchochezi muhimu ambao unaweza kuongeza muda wa kuamka. Kama neurons hcrt, mabadiliko katika kiwango cha kutokwa hutangulia mabadiliko katika mabadiliko ya kuamka (Aston-Jones na Bloom, 1981), kupendekeza kwamba seli hizi ni muhimu kwa mabadiliko ya kuamka au umakini.

Kwa kufurahisha, vidonda vya mwili vya LC havitoi mabadiliko madhubuti katika EEG ya cortical au fahirisi za tabia za arousal (Lidbrink, 1974; Blanco-Centurion et al., 2007). Utoaji wa maumbile ya dopamine beta-hydroxylase, enzyme inayohitajika kwa muundo wa NE, pia haisumbui majimbo ya kulala (Hunsley et al., 2006). Hii inaonyesha uwepo wa mzunguko mbaya wa neural, wa nje kwa muundo wa LC, kusaidia shughuli za ukiritimba na mifumo ya maendeleo ya fidia. Walakini, sindano za kati za wapinzani wa kifamasia wa α1 na rec receptors ya ad noradrenergic (Berridge na España, 2000) au agonists ya inhibitory α2 autoreceptors (De Sarro et al., 1987) kuwa na athari kubwa za kusisimua. Utawala wa kati wa NE moja kwa moja ndani ya eneo la korosho au msukumo huhimiza macho yake 1970; Flicker na Geyer, 1982). Kuchochea kwa neurons katika LC kutumia microinjections za ndani za aginist ya cholinergic (bethanechol) hutoa uanzishaji wa haraka wa EEG ya mgongo katika panya za halothane-anesthetized (Berridge na Foote, 1991). Hivi karibuni, mfumo wa LC-NE ulionyeshwa kuwa muhimu kwa kudumisha uwezo wa membrane ulioongezeka wa neuroni ya cortical kwa macho ukilinganisha na majimbo ya kulala (Constantinople na Bruno, 2011). Ikizingatiwa, masomo haya yanamaanisha kuwa mfumo wa LC-NE unasababisha shughuli za cortical na huongeza uwezo wa membrane ya cortical ya kuongeza ujana.

Distojeni ya distogenetic ya hcrt na LC-NE udhibiti wa arousal

Shughuli ya hcrt na LC-NE neurons hurekebisha na mabadiliko ya kulala, lakini, imekuwa ngumu kuchagua kwa urahisi au kuzuia hcrt maalum na idadi ya watu wa LC-NE na azimio la muda muhimu kwa sehemu za kulala au kuamka, na kufikia Chaguzi za anga ili kuchunguza seli hizo bila kuathiri seli au nyuzi-za-kifungu. Katika kujaribu kuelewa vyema mienendo ya kidunia ya mizunguko ya neural ya kuamka, hivi karibuni tumetumia optogenetics kurudisha nyuma na kwa hiari shughuli za shughuli za hcrt na LC katika wanyama wanaotembea kwa uhuru (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Optogenetics hutumia molekyuli za opsin (kwa mfano, Channelrhodopsin-2 (ChR2) au halorhodopsin-NpHR) kwa hiari kuamilisha au kimya kimya seli zinazolengwa, kwa mtiririko huo, na mwangaza wa taa katika wimbi maalum (Boyden et al., 2005). Habari zaidi juu ya teknolojia ya optogenetic inaweza kupatikana katika hakiki zingine nyingi bora (Zhang et al., 2006; Miesenbock, 2009; Scanziani na Häusser, 2009; Yizhar et al., 2011; Deisseroth, 2012).

Ili kupeana ma-activators haya kwa hcrt au LC neurons, tulitumia zana za uasilishaji zinazohusiana na virusi vya adeno zinazohusiana na virusi (AAV), kwa mtawala wa watangazaji maalum wa aina ya kiini (Adamantidis et al., 2007). Ili kuleta mwangaza kwa hcrt au uwanja wa LC, tulibuni miingiliano ya macho ambayo nyuzi za macho ziliingizwa kwa muda mrefu kwenye fuvu la panya, kama ilivyoelezea mahali pengine (Adamantidis et al., 2005, 2007; Aravanis et al., 2007; Zhang et al., 2010). Kutumia mkakati huu, tuliweza kudhibiti shughuli za neural hcrt zote mbili vitro na katika vivo na uhamasishaji wa macho sahihi wa millisecond (Adamantidis et al., 2007). Usahihi wa hali ya juu na ya anga ya kusisimua ilituruhusu kuiga viwango vya kisaikolojia vya viwango vya kutokwa kwa neuron (1-30 Hz) (Hassani et al., 2009). Hakika, tulitumia treni za kunde nyepesi kwa uchochezi wetu wa optogenetic ambao ulikuwa msingi wa vigezo kwenye uchambuzi halisi wa masafa ya neurons hcrt katika vivo (hii ni kweli pia kwa optogenetic kudhibiti ya LC-NE neurons ilivyoelezwa hapo chini). Tuligundua kuwa kusisimua kwa moja kwa moja kwa macho ya macho ya hcrt kuliongeza uwezekano wa mabadiliko kutoka kwa uwepo kutoka kwa kulala kwa SwS au REM (Kielelezo. (Kielelezo1A) .1A). Kwa kufurahisha, kasi ya juu ya kusisimua ya macho (5-30 Hz trains mwanga wa mapigo) ilipunguza mwisho wa kuibuka wakati treni za 1 Hz hazikufanya hivyo, na kupendekeza kutolewa kwa njia inayotegemea mara kwa mara ya neurotransmitter (glutamate) na neuromodulators kutoka vituo. Tulionyesha zaidi kuwa athari za kuchochea neva za hcrt zinaweza kuzuiliwa na sindano ya mpinzani wa OX1R au kwa kufuta maumbile ya jeni la hcrt, tukionyesha kwamba peptides za hcrt zina upatanishi, angalau kwa sehemu, mabadiliko ya njia ya kulala ya kuamsha usingizi. Matokeo haya yanaonyesha kwamba kutolewa kwa hcrt kutoka kwa neva zinazoonyesha hcrt ni muhimu kwa mali ya kukuza wake wa neurons hizi. Kwa maana, matokeo haya yanaonyesha uhusiano wa sababu kati ya uanzishaji wa neuroni na mabadiliko ya kulala, kuambatana na masomo ya zamani ya uunganisho. Hii iliungwa mkono zaidi na ukweli kwamba kunyamaza macho kwa neva ya hcrt kukuza SWS (Tsunematsu et al., 2011).

 

Kielelezo 1

Kutengana kwa optogenetic ya mzunguko wa mwili wa ubongo. (A) Kuchochea kwa neuroni ya hcrt na ChR2 husababisha kupungua kwa latency ya kuamka huko 10 Hz lakini sio 1 Hz (data kutoka kwa Adamantidis et al., 2007). (B) Kuchochea kwa neuroni za LC na ChR2 husababisha haraka ...

Matokeo haya yalithibitishwa hivi karibuni na Sasaki na washirika (Sasaki et al., 2011), ambaye alitumia mbinu ya dawa inayoitwa Designer Receptors Excerpecised activated na Dawa Mbuni (DREADDs) ili kuamsha na kukandamiza shughuli za necriti za hcrt. Teknolojia ya DREADD inaruhusu mabadiliko ya hali ya juu ya shughuli za neural na azimio la muda la masaa kadhaa (Dong et al., 2010). Waligundua kuwa uanzishaji wa shughuli za necroli hcrt uliongezeka wakati wa kukandamiza shughuli hcrt kukuzwa SWS.

Katika utafiti wa pili (Carter et al., 2009), tulionyesha kwamba udhibiti wa mabadiliko ya kulala ni chini ya utegemezi wa michakato ya nyumba ya kulala kwani mabadiliko ya kulala na kuamka yamezuiliwa na shinikizo kubwa la kulala (linalosababishwa na kunyimwa usingizi). Walakini, athari za uhamasishaji wa optogenetic ya hcrt iliendelea katika panya ya histamine decarboxylase ya kugonga (panya ambazo haziwezi kutunga histamine) ikionyesha kuwa lengo lingine ambalo mfumo wa histaminergic unawajibika kwa athari ya hcrt. Mwishowe, tulionyesha kuwa vituo vya chini vya maji kama vile neva za LC zote mbili ziliongezea shughuli zao (kama inavyopimwa na usemi wa c-Fos) kwa kujibu kuchochea kwa nguvu ya optogenetic. Kwa sababu kazi ya zamani ilionyesha athari ya kusisimua ya hcrt kwenye LC NE neurons (Bourgin et al., 2000), tulichunguza uunganisho wa hcrt-LC na tukazingatia uchunguzi wetu wa majaribio kwenye noradrenergic LC kama lengo mpya la udanganyifu wa optogenetic.

Katika utafiti wa tatu (Carter et al., 2010), tulilenga genetiki ya LC-NE ya neva na sindano ya kizuizi ya virusi vinavyohusiana na adeno-kuegemea (RAAV) kwenye panya wa kugonga-kwa kuchagua kuelezea Cre katika tyrosine hydroxylase (TH) neurons (Atasoy et al., 2008; Tsai et al., 2009). Tuligundua kuwa zote NpHR na ChR2 zilikuwa zinafanya kazi na zinaweza kuzuia na kuamsha, mtawaliwa, neuroni za LC-NE zote mbili vitro na katika vivo (Kielelezo (Kielelezo1B) .1B). Tuligundua kwamba msukumo wa chini wa optogenetic (1-10 Hz) ya kusisimua ya LC-NE neurons ilisababisha mabadiliko ya haraka (chini ya 5 s) ya kuamsha usingizi kutoka kwa usingizi wote wa SWS na REM. Kuchochea kwa neuroni ya LC wakati wa kuamka kuongezeka kwa shughuli za injini na wakati wote uliotumiwa kuwa macho, ikithibitisha athari kali ya kuamsha. Kinyume chake, kunyamaza-upatanishi kati ya NpHR ya LC-NE kunapunguza muda wa vipindi vya kuamka lakini hakuzuia mabadiliko ya kuamka-wakati wanyama walipokuwa wamelala. Ikichukuliwa pamoja, utafiti huu ulionyesha kuwa uanzishaji wa neuroni za LC-NE ni muhimu kwa kudumisha hali ya kawaida ya kuamka (Jaribio la NpHR), na inatosha kushawishi mabadiliko ya haraka ya kuamka, kuamka kwa kudumu, na kuongezeka kwa mshtuko wa sauti. Kwa hivyo, tulipendekeza kwamba LC-NE neurons ifanye kama mfumo wa haraka wa kuhimiza mabadiliko ya kulala na kuamka kwa jumla. Kwa kupendeza, tuligundua kuwa uanzishaji wa macho endelevu wa LC-NE neurons huchochea kukamatwa kwa locomotor (Carter et al., 2010). Kukamatwa kwa tabia kama hiyo hushiriki dalili za kawaida na cataplexy, catatonia au tabia ya kufungia wote katika mifano ya wanyama na wagonjwa wa binadamu (Scammell et al., 2009). Njia zinazowezekana zinaweza kuhusisha kupungua kwa NE kutoka vituo vya LC-NE au kuzidisha kwa LC-NE oxxation ya ubongo ya motor brain ambayo inaweza kusababisha kupooza. Utafiti zaidi unahitajika kufunua mifumo ya msingi.

Katika utafiti wetu wa hivi karibuni (Carter et al., 2012), tulijaribu nadharia kwamba milango ya shughuli za LC hcrt athari za neuron kwenye mabadiliko ya kulala-kuamsha. Kwa sababu idadi ya watu ya hcrt na LC iko katika maeneo tofauti ya ubongo, inawezekana kupata miundo yote wakati huo huo katika mnyama mmoja. Kwa hivyo tulichukua njia mbili ya optogenetic kuchochea hcrt neurons wakati tunapozuia au kusisimua neva za LC za noradrenergic wakati wa kulala kwa SWS. Tuligundua kuwa kunyamazisha neuroni za LC wakati wa kusisimua hcrt kuzuiwa mabadiliko ya usingizi-wa-upenyezi wa hcrt-mediated (Kielelezo (Kielelezo1C) .1C). Kwa kulinganisha, tuligundua kwamba kuongeza msisimko wa mishipa ya LC kupitia uanzishaji wa opsin (SFO) -ukuaji wa seli zinazolenga (Berndt et al., 2009) -Kuongeza uhamasishaji wa hcrt (kwa kutumia itifaki ya kuchochea ya LC ambayo yenyewe haiongezei mabadiliko ya kulala-kuamka) mabadiliko yaliyoboreshwa ya mabadiliko ya kulala kwa kuamka (Kielelezo1D) .1D). Ikizingatiwa, matokeo yetu yanaonyesha kuwa LC hutumika kama athari muhimu na ya kutosha ya kushuka kwa mabadiliko ya hcrt-mediated SWS-to-wake wakati wa kazi.

hcrt na mfumo wa LC-NE wa mfumo

Wakati wote wa masomo yetu ya majaribio, tuliona kwamba udanganyifu wa optogenetic ya hcrt na LC-NE neurons huathiri mabadiliko ya kulala-kuamka na mabadiliko tofauti ya nguvu ya kidunia (Adamantidis et al., 2007; Carter et al., 2009, 2010, 2012). Uanzishaji wa macho wa papo hapo wa neurons husababisha mabadiliko ya kulala kwa muda wa 10-30 s, wakati kuchochea kwa neuroni za LC husababisha mabadiliko ya kuamka kwa chini ya 5 s. Maelezo moja ni kwamba neva za hcrt zinaweza kufanya kazi kama kiunganishi cha juu cha ujukuaji wakati wa kazi zinazohusiana na hypothalamic wakati mfumo wa LC-NE unafanya kazi kama athari ya msingi kwa arousal, mafadhaiko na umakini. Walakini, mifumo ya athari ya athari ya neuronal ina uwezekano wa kupunguzwa na kuamilishwa na seti tofauti za pembejeo. Kwa hivyo, hatuwezi kudhibiti kwamba kuzuia mifumo mingine ya kupendeza, kama mfumo wa kati wa histamini na mfumo wa cholinergic, pia inaweza kuathiri vibaya mabadiliko ya hali ya kitendaji ya hali ya kitendaji katika hali zingine za majaribio.

Kando na athari hizi za muda mfupi, ni ya kufurahisha pia kuwa majaribio ya upigaji picha ya ~ 1-4 h ya hypotena iliongeza mabadiliko ya kulala bila kubadilisha muda wa kuamka, wakati wa muda mrefu. Photostimulation ya LC-NE neurons iliongezeka sana muda wa kuamka. Matokeo haya yanaonyesha kuwa mfumo wa hcrt unaweza kudhibiti mipaka ya kulala wakati LC-NE neurons inaweza kudhibiti muda wa kuongezewa na kuongeza uwezo wa membrane ya cortical na desynchronizing EEG ya cortical.

Ujanibishaji wa hypothalamic ya neuroni ya hcrt inamaanisha kwamba seli hizi zina jukumu muhimu la kuamsha wakati wa michakato ya homeostatic, pamoja na tabia ya ngono, chakula kuzunguka, kukabiliana na mafadhaiko, na motisha. Kando na udhibiti wao wa kuamka, mifumo ya kujuana pia inashiriki katika tabia ya kutafuta thawabu, shughuli za ngono, majibu ya ndege-au-mapigano, nk. Kupitia upya upya kunaweza kuwa na kazi ya pamoja ya uvumbuzi na njia tofauti za ubongo zinazosaidia kuamka na tabia zinazohusiana na hisia za kuamka ni muhimu kwa kupona. Kwa mfano, uanzishaji wa mfumo wa LC-NE huongeza kuamsha na kusababisha tabia kama ya wasiwasi (Itoi na Sugimoto, 2010). Kinyume chake, mfumo wa neuropeptide S (NPS), peptide iliyotengenezwa na kizuizi cha idadi ya watu wenye neuroni kwa LC, pia huongeza umaridadi lakini inapungua wasiwasi (Pape et al., 2010). Kwa hivyo, ili kusaidia kazi tofauti za kitabia, nyaya za kupendeza lazima ziwe zimefikia kiwango cha juu cha uwasilishaji, ikiwezekana kupitia njia ya kuchagua ya uhusiano wao wa ushirika na ufanisi, wasafirishaji / modulators kutolewa uwezo na shughuli madhubuti na wengine mzunguko wa kupendeza.

Mitazamo

Katika miaka mitano iliyopita, mchanganyiko wa optogenetics, mifano ya panya iliyobuniwa na maumbile, na uchambuzi wa usingizi wa EEG / EMG imetoa seti ya kipekee na yenye nguvu ya zana ili kuelewa zaidi michango ya mifumo ya hcrt na LC kuamsha, na vile vile idadi nyingine ya neva ambayo inasimamia digrii za kulala na kuamka. Kulenga uchunguzi wa macho na idadi nyingine ya neva kwenye ubongo itaamua majukumu yao ya kibinafsi na ya pamoja katika mipaka ya kulala / kuamka. Kwa kuongezea, zana hizi zitaturuhusu kuamua utaratibu wa ubongo unaozingatia hali za wake kulingana na makadirio ya anatomiki, neurotransmission ya synaptic, na mienendo ya kutolewa kwa transmitter. Uwezo wa kulenga na kuchagua duru hizi kwa usahihi wa hali ya juu (<1 s) inaruhusu uwezekano wa kuchunguza jukumu lao katika wigo mpana wa tabia kama ulaji wa chakula, ulevi, mafadhaiko, umakini, na msisimko wa kijinsia. Mwishowe, masomo haya yanaweza kufunua njia za ugonjwa wa ugonjwa kama vile wasiwasi sugu, ulevi, upungufu wa umakini, na unyogovu.

Shukrani

Marejeo