hypocretin和LC-NE神經元的功能性接線：對喚醒的影響（2013）

Front Behav Neurosci。 2013年20月7日；43:XNUMX。 DOI：10.3389/fnbeh.2013.00043。電子收藏 2013。

卡特我1, 德萊恰湖, 金剛烷屬A.

抽象

為了在快速變化的環境中生存，動物必須感知外在世界和內在生理狀態，並適當調節覺醒水平。異常高的喚醒水平可能會導致內部能量儲存的低效使用以及對顯著環境刺激的注意力不集中。或者，異常低的喚醒水平可能導致無法正確尋找食物、水、性伴侶和其他生命必需的因素。在大腦中，表達下丘腦分泌素神經肽的神經元可能具有獨特的姿勢來感知動物的外部和內部狀態，並根據行為需求調整喚醒狀態。近年來，我們應用時間精確的光遺傳學技術來研究這些神經元及其下游連結在調節喚醒中的作用。特別是，我們發現腦幹藍斑（LC）中的去甲腎上腺素能神經元對於介導下視丘分泌素神經元對覺醒的影響特別重要。在這裡，我們討論我們最近的結果，並考慮這些神經元的解剖連結在調節生物體在不同睡眠和清醒狀態下的喚醒狀態中的影響。

關鍵詞： 下視丘分泌素、食慾素、下視丘、神經迴路、光遺傳學、清醒系統、睡眠、去甲腎上腺素

睡眠和清醒是兩種相互排斥的狀態，在整個動物王國中隨著超晝夜週期和晝夜節律週期循環。清醒是一種意識狀態，動物可以感知周圍環境並與之互動。長時間清醒後，睡眠壓力增加並導致睡眠的開始，其特徵是相對不活動的時期，具有刻板的姿勢和更高的感覺閾值。

在哺乳動物中，睡眠通常分為慢波睡眠（SWS，或人類的 NREM 睡眠）和快速動眼（REM）睡眠（也稱為「矛盾睡眠」）。清醒、SWS 和 REM 睡眠是不同的行為狀態，可以透過精確的腦電圖 (EEG) 和肌電圖 (EMG) 特徵來定義。在尾流期間，低振幅、混合頻率振盪占主導地位。 SWS 的特點是高振幅緩慢振盪（0.5-4 Hz），其優勢（透過 EEG 功率密度測量）反映了睡眠深度。快速動眼睡眠是一種單一的行為狀態，其特徵是更快的混合頻率振盪，其中θ（5-10 Hz）振盪在囓齒類動物中占主導地位，並伴有肌肉無力，以及心率和呼吸頻率的波動。

儘管睡眠和清醒狀態在質量和數量上都很容易描述，但要定義「喚醒」的含義卻出乎意料地困難。喚醒一詞通常指清醒時的警覺和警覺程度，表現為運動活化增加、對感官輸入的反應性、情緒反應性和認知處理增強。

睡眠-覺醒週期組織和一般喚醒水平的大腦機制仍不清楚，許多經典研究已經確定了幾個神經元群體，其活動與不同的行為狀態有關。最初假設神經元在行為轉變之前活躍（即神經元在睡眠到覺醒轉變之前活躍） 促進 即將到來的狀態，而在特定狀態（清醒或睡眠）期間活躍的神經元對於 維持 它。由於網路中的神經元可能由於與其他更具因果關係的神經元的連接而表現出與狀態邊界相關的活動，而不直接負責狀態轉換，因此這種觀點變得更加複雜。儘管如此，人們普遍推斷存在一些神經群體在睡眠和/或覺醒狀態中發揮因果作用。被認為可以促進覺醒的族群包括：下視丘外側表達下視丘分泌素（hcrt，也稱為「食慾素」）的神經元、腦幹中表達去甲腎上腺素能藍斑（LC）的神經元、中縫背核（DRN）的血清素能神經元腦幹中的組織胺能結節乳頭核（TMN）位於下丘腦後部，中腦中的膽鹼能腳橋核（PPT）和背側被蓋（LDT）核，以及基底前腦的膽鹼能神經元（Jones， 2003）。相較之下，來自下丘腦前部結構的抑制性神經元在SWS 期間活躍，而來自外側下丘腦的黑色素濃縮激素(MCH) 神經元以及來自腦幹的谷氨酸和GABA 能神經元在REM睡眠期間活躍（Fort 等人， 2009).

近年來，我們和其他人開始將光遺傳學技術與各種小鼠模型結合使用來解決以下問題： 喚醒系統如何調節覺醒與喚醒? 它們如何在特定環境中功能性地相互作用以促進、維持或擴大喚醒？在我們最近的研究中，我們對表達 hcrt 的神經元特別感興趣（de Lecea 等人， 1998; Sakurai等人， 1998）。 hcrt 是兩種神經興奮勝肽（de Lecea 等人， 1998; Sakurai等人， 1998）在小鼠下丘腦外側約 3200 個神經元中產生（在大鼠和人腦中分別約 6700 個和 50,000-80,000 個神經元）（de Lecea 和 Sutcliffe， 2005;莫迪魯斯塔等人， 2005）。這些神經元接收來自分佈在皮質、邊緣系統、皮質下區域（包括下丘腦本身、丘腦）的多個系統的功能輸入，以及來自腦幹膽鹼能核、網狀結構、中腦中縫核和導水管周圍灰質的上行投射。反過來，這些神經元投射到整個中樞神經系統，包括大腦的喚醒和獎賞中心，以及表達 hcrt 受體（OX1R 和 OX2R）的神經元。 hcrt 神經元的傳入和傳出投射表明它們在多種下丘腦功能中發揮作用，包括調節睡眠/覺醒週期和目標導向行為。有趣的是，我們發現從 hcrt 神經元到去甲腎上腺素能 LC 神經元的特定傳出投射介導睡眠到覺醒的轉變以及可能更一般的喚醒方面。

在這裡，我們總結了最近的光遺傳學實驗，這些實驗檢驗了 hcrt 和 LC 神經元引起喚醒狀態轉換和維持的假設（Adamantidis 等人， 2007; 卡特等人， 2009, 2010, 2012）。首先，我們簡要地強調和總結先前使用傳統遺傳和藥理學技術有關這些系統的報告。接下來，我們使用光遺傳學探針整合我們自己的發現，選擇性地刺激或抑制這些自由移動小鼠的系統。最後，我們討論未解決的問題並推測喚醒迴路的未來解剖和功能解剖。

下視丘分泌素、覺醒與發作性睡病

hcrt 神經元在安靜清醒、SWS 和 REM 睡眠期間通常保持沉默，但在主動覺醒和 REM 睡眠到覺醒轉換期間表現出高放電率（Lee 等人， 2005;米利科夫斯基等人， 2005;高橋等人， 2008;哈薩尼等人， 2009）。此外，它們在環境刺激（例如聽覺刺激）引起的喚醒期間表現出高放電率（Takahashi 等人， 2008）和目標導向的行為（Mileykovskiy 等人， 2005;高橋等人， 2008）。這些研究表明 hcrt 神經元參與睡眠到覺醒的轉變，以及在各種目標導向行為期間觀察到的警覺性增加。

hcrt 訊號傳導的阻斷或抑製表明 hcrt 對於小鼠、大鼠、狗、人類以及可能的斑馬魚（Sakurai、 2007;橫河電機等人， 2007）。事實上，最令人信服的功能喪失證據來自 hcrt 缺乏與發作性睡病症狀之間的關聯（Peyron 等人， 2000;薩珀等人， 2010）。患有猝倒症的發作性睡病患者完全沒有 血紅素 下視丘中的基因轉錄物以及腦脊髓液中不可檢測或幾乎檢測不到的 hcrt 水平（Thannickal 等人， 2000;櫻井， 2007;橫河電機等人， 2007）。杜賓犬患有嗜睡症，其基因突變 氧化酶2R，以及所有基因工程囓齒動物，其中任一缺失 血紅素, 氧化酶2R，或 hcrt 細胞表現出類似於猝倒的行為停滯，這是發作性睡病的標誌（Jones， 2003;櫻井， 2007;塞格爾和米格諾特， 2011）。重要的是，基因拯救 血紅素 基因表現減輕了小鼠的嗜睡症症狀（Liu 等人， 2011;布蘭科-百夫長等人， 2013).

腦室內 (icv) 輸注 hcrt 勝肽或 hcrt 激動劑會導致清醒時間增加以及 SWS 和 REM 睡眠減少 [Sakurai 的評論 (2007)]。在 LC、LDT、基底前腦或外側下丘腦中立體定向注射勝肽會增加覺醒和運動活動，通常與 SWS 和 REM 睡眠顯著減少相關（Hagan 等人， 1999）。最近，僅在hcrt 神經元中使用選擇性GABA-B 受體基因刪除來對hcrt 神經元進行遺傳去抑制，從而在白天和黑暗期間誘導睡眠/覺醒狀態的嚴重碎片化，而沒有顯示總睡眠/覺醒持續時間或徵兆的異常猝倒症（Matsuki 等人， 2009）。總的來說，這些數據表明 hcrt 勝肽對於定義睡眠和覺醒狀態之間的界限很重要，正如發作性睡病動物模型中睡眠和覺醒狀態的碎片化所表明的那樣。

儘管廣泛證明 hcrt 勝肽的生物學功能對於維持適當的喚醒和睡眠是必要的，但仍不清楚兩種 hcrt 受體 OX1R 或 OX2R 中的哪一個在生物學上負責 hcrt 對喚醒和睡眠穩定性的影響和肌張力控制。 氧化酶1R mRNA 在許多腦區表達，特別是 LC、中縫核、LDT， 氧化酶2R mRNA 在大腦皮質、中縫核以及下丘腦背內側和後部（在結節乳頭核中）中顯示出互補的表達模式（Trivedi 等人， 1998; 馬庫斯等人， 2001;美田等人， 2011）。因此，有人提出，覺醒和 NREM 睡眠到覺醒的控制關鍵取決於 OX2R（Mochizuki 等人， 2011）而 REM 睡眠失調（發作性睡病-猝倒症所特有）是由於 OX1R 和 OX2R 訊號喪失造成的（Mieda 等人， 2011）。然而，它們對調節發作性睡病，特別是猝倒和睡眠發作的影響仍不清楚。患有遺傳性嗜睡症的狗在基因中帶有無效突變 氧化酶2R 基因（林等人， 1999）和對應的滑鼠模型， 氧化酶2R KO 小鼠的症狀比狗輕（Willie 等人， 2003）。儘管 OX1R 參與了覺醒的調節（Mieda 等人， 2011），其對發作性睡病症狀的貢獻仍有待進一步確定。

重要的是，其他喚醒系統的活動在猝倒期間受到強烈幹擾。 LC 神經元停止放電（Gulyani 等人， 1999）和血清素能神經元顯著降低其活性（Wu， 2004），而細胞位於杏仁核（Gulyani 等人， 2002）並且 TMN 顯示出發射水平增加（John 等人， 2004）。這種關聯表明 OX1R（LC，中縫）和 OX2R（TMN，中縫）都參與維持適當的肌張力。最近的研究也強調了膽鹼能係統改變在引發發作性睡病小鼠猝倒中的作用（Kalogiannis 等人， 2011, 2010）。因此，一個重要的、尚未解決的目標是確定 hcrt 神經元的功能接線，以及 hcrt 末端突觸釋放的動力學，以精確描繪下游投影（de Lecea 等人， 2012）控制覺醒、睡眠狀態、肌肉張力和目標導向的行為。

藍斑、正腎上腺素和覺醒

LC 與 4 相鄰th 腦幹的腦室包含合成單胺去甲腎上腺素 (NE) 的神經元。儘管其他四種細胞群也會產生 NE（A1、A2、A5 和 A7 細胞群），但 LC 產生的 NE 約佔大腦總 NE 的 50%，並且是皮質的唯一來源。大腦中有許多功能性 NE 受體，其中 α1 和 β 受體通常會引起興奮性突觸後電位，α2 受體通常會引起抑制性突觸後電位。 α2 受體密集存在於 LC 神經元上（Berridge 和 Waterhouse， 2003）本身並作為抑制性自身受體來抑制內在活性。

清醒行為動物的記錄顯示，LC 神經元在清醒狀態下以 1-3 Hz 的頻率頻繁放電，在 SWS 睡眠期間放電較少，在 REM 睡眠期間幾乎保持沉默（Aston-Jones 和 Bloom， 1981; 瓊斯 2003;薩珀等人， 2010）。在呈現可能增加喚醒持續時間的顯著刺激期間，LC 也會以 8-10 Hz 的短脈衝有階段性地放電。與 hcrt 神經元一樣，放電率的變化先於睡眠到覺醒轉換的變化（Aston-Jones 和 Bloom， 1981），顯示這些細胞對於過渡到清醒或註意力很重要。

有趣的是，LC 的物理損傷不會造成皮質腦電圖或喚醒行為指數的一致變化（Lidbrink， 1974;布蘭科-百夫長等人， 2007）。多巴胺β-羥化酶（NE 合成所需的一種酶）的基因消除也不會破壞睡眠-覺醒狀態（Hunsley 等人， 2006）。這表明在 LC 結構外部存在冗餘神經迴路，分別支持皮質活動和補償性發育機制。然而，中央注射α1和β去甲腎上腺素受體的藥理拮抗劑（Berridge和España， 2000）或抑制性 α2 自身受體激動劑（De Sarro 等人， 1987）有顯著的鎮靜作用。直接將 NE 集中管理至心室或前腦可促進覺醒（Segal 和 Mandell， 1970;閃爍和蓋爾， 1982）。使用膽鹼能激動劑（氨甲醯膽鹼）局部顯微注射刺激 LC 中的神經元，可快速活化氟烷麻醉大鼠的前腦腦電圖（Berridge 和 Foote， 1991）。最近，與睡眠狀態相比，LC-NE 系統被證明對於維持清醒時皮質神經元膜電位的增加至關重要（Constantinople 和 Bruno， 2011）。總而言之，這些研究表明 LC-NE 系統使皮質活動不同步，並增加皮質膜電位，從而增加覺醒。

hcrt 的光遺傳學解剖和喚醒的 LC-NE 控制

hcrt 和 LC-NE 神經元的活動與睡眠到覺醒的轉換相關，然而，很難以與睡眠或覺醒發作相關的時間分辨率選擇性刺激或抑制特定的 hcrt 和 LC-NE 群體，並實現空間選擇性來探測這些細胞而不影響周圍的細胞或通道纖維。為了更了解覺醒神經迴路的時間動態，我們最近應用光遺傳學來可逆地、選擇性地操縱自由運動動物中 hcrt 和 LC 神經元的活動（Adamantidis 等人， 2007; 卡特等人， 2009, 2010, 2012）。光遺傳學使用致動器視蛋白分子（例如視紫質通道蛋白-2 (ChR2) 或鹽視紫紅質- NpHR）透過特定波長的閃光分別選擇性地激活或沉默基因靶向細胞（Boyden 等人， 2005）。有關光遺傳學技術的更多資訊可以在許多其他優秀評論中找到（Zhang 等人， 2006;米森博克, 2009;斯坎齊亞尼和豪塞爾， 2009; Yizhar等人， 2011; 戴瑟羅特， 2012).

為了將這些致動器遞送至 hcrt 或 LC 神經元，我們分別使用慢病毒和 cre 依賴性腺相關病毒 (AAV) 基因遞送工具，在細胞類型特異性啟動子的控制下（Adamantidis 等人， 2007）。為了將光傳輸到 hcrt 或 LC 場，我們設計了光學神經接口，其中光纖被長期植入小鼠頭骨上，如其他地方所述（Adamantidis 等人， 2005, 2007;阿拉瓦尼斯等人， 2007; 張等人， 2010）。使用這種策略，我們能夠控制 hcrt 神經活動 體外 以及 体内 具有毫秒精確的光學刺激（Adamantidis 等人， 2007）。刺激的高時間和空間精度使我們能夠模擬下丘腦分泌素神經元放電速率的生理範圍（1-30 Hz）（Hassani 等人， 2009）。事實上，我們使用光脈衝序列進行光遺傳學刺激，該刺激基於 hcrt 神經元實際頻率分析的參數 体内 （這對於下文描述的 LC-NE 神經元的光遺傳學控制也是如此）。我們發現 hcrt 神經元的直接單側光刺激增加了從 SWS 或 REM 睡眠轉變為清醒的可能性（圖 （Figure1A）.1A）。有趣的是，高頻光刺激（5-30 Hz 光脈衝序列）減少了覺醒潛伏期，而1 Hz 序列則沒有，這表明神經傳導物質（谷氨酸）和神經調節劑（包括來自末端的hcrt 或強啡肽）的頻率依賴性突觸釋放。我們進一步表明，刺激 hcrt 神經元的作用可以透過注射 OX1R 拮抗劑或透過 hcrt 基因的遺傳刪除來阻斷，這表明 hcrt 勝肽至少部分介導光遺傳學誘導的睡眠到覺醒的轉變。這些結果表明，表達 hcrt 的神經元釋放 hcrt 對於這些神經元的喚醒促進特性是必要的。重要的是，這些結果證明了 hcrt 神經元活化與睡眠-覺醒轉變之間的因果關係，與先前相關的研究一致。 hcrt 神經元的光學沉默促進 SWS 的事實進一步支持了這一點（Tsunematsu 等人， 2011).

圖1 

大腦喚醒迴路的光遺傳學解剖。 （A） 以 ChR2 刺激 hcrt 神經元會導致 10 Hz 而非 1 Hz 的睡眠-覺醒潛伏期縮短（數據來自 Adamantidis 等人， 2007). （B） ChR2 刺激 LC 神經元會立即產生 ...

這些結果最近得到了 Sasaki 及其合作者的證實（Sasaki 等人， 2011），他使用了一種稱為設計藥物獨家激活的設計受體（DREADD）的藥物遺傳學方法來激活和抑制 hcrt 神經活動。 DREADD 技術允許以數小時的時間分辨率對神經活動進行雙模式調節（Dong 等人， 2010）。他們發現，hcrt 神經活動的活化增加了覺醒度，而 hcrt 活動的抑制則促進了 SWS。

在第二項研究中（卡特等人， 2009），我們證明了 hcrt 對睡眠-覺醒轉變的控制依賴於睡眠穩態過程，因為 hcrt 介導的睡眠-覺醒轉變受到睡眠壓力增加（由睡眠剝奪引起）的阻礙。然而，hcrt 的光遺傳學刺激的效果在組胺脫羧酶敲除小鼠（無法合成組胺的小鼠）中持續存在，這表明組胺能係統的另一個目標是造成 hcrt 效果的原因。最後，我們發現下游喚醒中心（例如 LC 神經元）響應 hcrt 光遺傳學刺激而增加了其活性（透過 c-Fos 表達測量）。因為先前的工作表明 hcrt 對 LC NE 神經元有興奮作用（Bourgin 等人， 2000），我們研究了 hcrt-LC 連接，並將實驗研究重點放在去甲腎上腺素能 LC 上，作為光遺傳學操作的新目標。

在第三項研究中（卡特等人， 2010），我們透過將Cre 重組酶依賴性腺相關病毒（rAAV）立體定位注射到在酪胺酸羥化酶（TH）神經元中選擇性表達Cre 的敲入小鼠中，從基因上靶向LC- NE 神經元（Atasoy 等人， 2008;蔡等人， 2009）。我們發現 NpHR 和 ChR2 都有功能，可以分別抑制和活化 LC-NE 神經元 體外 以及 体内 （數字 （Figure1B）.1B）。我們發現，LC-NE 神經元的光遺傳學低頻（1-10 Hz）刺激會導致 SWS 和 REM 睡眠立即（小於 5 秒）從睡眠到覺醒的轉變。清醒期間刺激 LC 神經元會增加運動活動和清醒的總時間，證實了強烈的喚醒效應。相較之下，NpHR 介導的 LC-NE 神經元沉默減少了覺醒發作的持續時間，但並沒有阻止動物睡眠時的睡眠到覺醒的轉變。總而言之，這項研究表明，LC-NE 神經元的活化對於維持正常的覺醒持續時間（NpHR 實驗）是必要的，並且足以誘導立即的睡眠到覺醒的轉變、持續的覺醒和增加的運動喚醒。因此，我們提出 LC-NE 神經元可作為快速調節系統來促進睡眠到覺醒的轉變和一般喚醒。有趣的是，我們發現 LC-NE 神經元的持續光學活化會導致運動停止（Carter 等人， 2010）。在動物模型和人類患者中，這種行為逮捕與猝倒、緊張症或行為凍結有共同的症狀（Scammell 等人， 2009）。可能的機制可能涉及 LC-NE 突觸末端的 NE 耗盡或 LC-NE 腦幹運動核過度興奮，從而導致癱瘓。需要進一步研究來揭示其潛在機制。

在我們最近的研究中（卡特等人， 2012），我們測試了 LC 活動門控 hcrt 神經元對睡眠到覺醒轉換的影響的假設。由於 hcrt 和 LC 神經群位於不同的大腦區域，因此在物理上可以在同一動物中同時存取這兩種結構。因此，我們採用雙光遺傳學方法來刺激 hcrt 神經元，同時在 SWS 睡眠期間抑製或刺激去甲腎上腺素能 LC 神經元。我們發現在 hcrt 刺激期間沉默 LC 神經元會阻止 hcrt 介導的睡眠到覺醒的轉變（圖 （Figure1C）.1C）。相反，我們發現透過階躍函數視蛋白 (SFO) 活化來增加 LC 神經元的興奮性，從而增加目標細胞的數量（Berndt 等人， 2009）—在 hcrt 刺激期間（使用 LC 刺激方案，其本身不會增加睡眠到覺醒的轉變）增強了 hcrt 介導的睡眠到覺醒的轉變（圖 （Figure1D）.1D）。綜上所述，我們的結果表明，LC 作為非活動期間 hcrt 介導的 SWS 到喚醒轉換的必要且充分的下游效應器。

hcrt 和 LC-NE 系統動力學

在我們的實驗研究中，我們觀察到 hcrt 和 LC-NE 神經元的光遺傳學操作以顯著不同的時間動態影響睡眠到覺醒的轉變（Adamantidis 等人， 2007; 卡特等人， 2009, 2010, 2012）。 hcrt 神經元的急性光學活化會在 10-30 秒的時間內引起睡眠到覺醒的轉變，而刺激 LC 神經元會在不到 5 秒的時間內引起睡眠到覺醒的轉變。一種解釋是，hcrt 神經元可能在下丘腦相關功能期間充當喚醒的上游整合器，而 LC-NE 系統則充當喚醒、壓力和注意力的主要效應器。然而，神經元效應系統可能是多餘的，並且由不同的輸入集激活。因此，我們不能排除阻斷其他喚醒系統，例如中樞組織胺能和膽鹼能係統，也會嚴重影響其他實驗條件下 hcrt 誘導的行為狀態轉變。

除了這些短期影響之外，有趣的是，對 hcrt 神經元進行約 1-4 小時的持續（即半慢性）光刺激實驗增加了睡眠到覺醒的轉變，而不改變清醒的總持續時間，而長期LC-NE 神經元的光刺激顯著增加了清醒持續時間。這些結果表明，hcrt 系統可能調節睡眠-覺醒邊界，而 LC-NE 神經元可能透過增加皮質膜電位和去同步皮質腦電圖來控制覺醒持續時間。

hcrt 神經元的下視丘定位意味著這些細胞在穩態過程中具有顯著的喚醒作用，包括性行為、食物覓食、壓力反應和動機。除了控制覺醒之外，喚醒系統還參與尋求獎勵的行為、性活動、逃跑或戰鬥反應等。化大腦機制。例如，LC-NE 系統的活化會增加覺醒並引起類似焦慮的行為（Itoi 和 Sugimoto， 2010）。相較之下，神經肽 S (NPS) 系統（一種由 LC 腹側的受限神經元群產生的勝肽）也會增加覺醒，但 降低 焦慮（Pape 等人， 2010）。因此，為了支持如此多樣化的行為功能，喚醒電路必須達到高水平的規範，可能透過對其傳入和傳出連接的選擇性劃分、發射器/調製器釋放能力以及與其他喚醒電路的一致活動來實現。

展望

在過去的五年裡，光遺傳學、基因工程小鼠模型和睡眠腦電圖/肌電圖分析的結合提供了一套獨特而強大的工具，以進一步了解hcrt 和LC 系統對喚醒和睡眠的貢獻。將光遺傳學探針瞄準大腦中的其他神經元群體將確定它們在睡眠/覺醒邊界中的個體和組合作用。此外，這些工具將使我們能夠根據解剖學預測、突觸神經傳遞和遞質釋放的動態來確定喚醒狀態背後的大腦機制。以高時間精確度（<1秒）定位和選擇性操縱這些迴路的能力進一步使得研究它們在食物攝取、成癮、壓力、注意力和性喚起等廣泛行為中的作用成為可能。最終，這些研究可能揭示慢性焦慮、成癮、注意力缺陷和憂鬱等精神疾病的病理生理機制。

利益衝突聲明

作者聲明，研究是在沒有任何可被解釋為潛在利益衝突的商業或金融關係的情況下進行的。

致謝

馬修卡特 (Matthew E. Carter) 得到希爾達和普雷斯頓戴維斯基金會 (Hilda and Preston Davis Foundation) 的獎學金支持。路易斯·德·萊西亞得到了國防高級研究計劃局、國家精神分裂症和憂鬱症研究聯盟以及卡拉曼家庭基金會的資助。 Antoine Adamantidis 得到道格拉斯基金會、加拿大健康研究所、加拿大創新基金、加拿大研究主席和 NSERC 的支持。

參考

  1. Adamantidis A.、Thomas E.、Foidart A.、Tyhon A.、Coumans B.、Minet A. 等。 （2005）。破壞小鼠黑色素濃縮激素受體 1 會導致認知缺陷和 NMDA 受體功能改變。歐元。 J.神經科學。 21, 2837–2844 10.1111/j.1460-9568.2005.04100.x [考研[交叉參考]
  2. Adamantidis AR、Zhang F.、Aravanis AM、Deisseroth K.、de Lecea L. (2007)。透過下視丘分泌素神經元的光遺傳學控制來偵測覺醒的神經基質。自然 450, 420–424 10.1038/nature06310 [考研[交叉參考]
  3. Aravanis AM、Wang L.-P.、Zhang F.、Meltzer LA、Mogri MZ、Schneider MB 等。 （2007）。光學神經介面： 体内 利用整合光纖和光遺傳學技術控制囓齒動物運動皮質。 J.神經工程。 4、S143–S156 10.1088/1741-2560/4/3/S02 [考研[交叉參考]
  4. 阿斯頓-瓊斯 G.，布魯姆 FE (1981)。行為大鼠中含有去甲腎上腺素的藍斑神經元的活動預示著睡眠-覺醒週期的波動。 J.神經科學。 1, 876–886 [考研]
  5. Atasoy D.、Aponte Y.、Su HH、Sternson SM (2008)。 FLEX 開關將通道視紫質 2 靶向多種細胞類型，以進行成像和遠端電路映射。 J.神經科學。 28, 7025–7030 10.1523/JNEUROSCI.1954-08.2008 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  6. Berndt A.、Yizhar O.、Gunaydin LA、Hegemann P.、Deisseroth K. (2009)。雙穩態神經狀態開關。納特。神經科學。 12, 229–234 10.1038/nn.2247 [考研[交叉參考]
  7. Berridge CW，西班牙 RA (2000)。去甲腎上腺素α(1)-和β-受體阻斷對前腦腦電圖和行為指數的協同鎮靜作用。神經科學 99, 495–505 10.1016/S0306-4522(00)00215-3 [考研[交叉參考]
  8. 貝里奇 CW，富特 SL (1991)。藍斑活化對新皮質和海馬腦電圖活動的影響。 J.神經科學。 11, 3135–3145 [PMC免費文章[考研]
  9. Berridge CW、Waterhouse BD (2003)。藍斑-正腎上腺素能係統：行為狀態和狀態依賴性認知過程的調節。腦研究。修訂版 42, 33–84 10.1016/S0165-0173(03)00143-7 [考研[交叉參考]
  10. Blanco-Centurion C.、Gerashchenko D.、Shiromani PJ (2007)。皂草素誘導的三個覺醒群體損傷對日常睡眠和覺醒水準的影響。 J.神經科學。 27, 14041–14048 10.1523/JNEUROSCI.3217-07.2007 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  11. Blanco-Centurion C.、Liu M.、Konaadhode R.、Pelluru D.、Shiromani PJ (2013)。食慾素基因轉殖對食慾素基因敲除小鼠背外側腦橋的影響。睡眠 36、31–40 10.5665/sleep.2296 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  12. Bourgin P.、Huitrón-Résendiz S.、Spier AD、Fabre V.、Morte B.、Criado JR 等。 （2000）。 Hypocretin-1 透過活化藍斑神經元來調節快速動眼睡眠。 J.神經科學。 20, 7760–7765 [考研]
  13. Boyden ES、Zhang F.、Bamberg E.、Nagel G.、Deisseroth K. (2005)。毫秒級、基因標靶的神經活動光學控制。納特。神經科學。 8, 1263–1268 10.1038/nn1525 [考研[交叉參考]
  14. 卡特 ME、Adamantidis A.、Ohtsu H.、Deisseroth K.、de Lecea L. (2009)。睡眠穩態調節下視丘分泌素介導的睡眠到覺醒的轉變。 J.神經科學。 29, 10939–10949 10.1523/JNEUROSCI.1205-09.2009 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  15. Carter ME、Brill J.、Bonnavion P.、Huguenard JR、Huerta R.、de Lecea L. (2012)。下視丘分泌素介導的睡眠-覺醒轉變機制。過程。國家。阿卡德。科學。美國 109，E2635–E2644 10.1073/pnas.1202526109 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  16. Carter ME、Yizhar O.、Chikahisa S.、Nguyen H.、Adamantidis A.、Nishino S. 等。 （2010）。透過藍斑神經元的光遺傳學調節來調節喚醒。納特。出版集團 13, 1526–1533 10.1038/nn.2682 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  17. 君士坦丁堡 CM，布魯諾 RM (2011)。覺醒對局部皮質網絡的影響與機制。神經元 69, 1061–1068 10.1016/j.neuron.2011.02.040 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  18. 代瑟羅斯·K. (2012)。光遺傳學和精神病學：應用、挑戰和機會。 BPS 71, 1030–1032 10.1016/j.biopsych.2011.12.021 [考研[交叉參考]
  19. de Lecea L.、Carter ME、Adamantidis A. (2012)。照亮覺醒和覺醒。 BPS 71, 1046–1052 10.1016/j.biopsych.2012.01.032 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  20. de Lecea L.、Kilduff TS、Peyron C.、Gao X.、Foye PE、Danielson PE 等。 （1998）。下視丘分泌素：具有神經興奮活性的下視丘特異性勝肽。過程。國家。阿卡德。科學。美國 95, 322–327 [PMC免費文章[考研]
  21. de Lecea L.，Sutcliffe JG (2005)。下視丘泌素。紐約州紐約：施普林格出版社
  22. De Sarro GB、Ascioti C.、Froio F.、Libri V.、Nisticò G. (1987)。有證據顯示藍斑是可樂定和作用於 α1- 和 α2- 腎上腺素受體的藥物影響睡眠和喚醒機制的部位。 Br。 J.Pharmacol。 90, 675–685 [PMC免費文章[考研]
  23. Dong S.、Rogan SC、Roth BL (2010)。 DREADD 的定向分子演化：創建下一代 RASSL 的通用方法。納特。協定. 5, 561–573 10.1038/nprot.2009.239 [考研[交叉參考]
  24. Flicker C.，Geyer MA (1982)。海馬體是腦內輸注去甲腎上腺素期間增加運動的可能作用部位。行為。神經生物學。 34, 421–426 [考研]
  25. Fort P.、Bassetti CL、Luppi P.-H。 （2009）。交替警惕狀態：有關神經網路和機制的新見解。歐元。 J.神經科學。 29, 1741–1753 10.1111/j.1460-9568.2009.06722.x [考研[交叉參考]
  26. Gulyani S.、Wu MF、Nienhuis R.、John J.、Siegel JM (2002)。發作性睡病犬杏仁核中與猝倒相關的神經元。神經科學 112, 355–365 10.1016/S0306-4522(02)00089-1 [考研[交叉參考]
  27. Gulyani SA、Yau E.、Mignot E.、Phan B.、Siegel JM (1999)。藍斑神經元：猝倒期間活動停止。神經科學 91, 1389–1399 10.1016/S0306-4522(98)00600-9 [考研[交叉參考]
  28. Hagan JJ、Leslie RA、Patel S.、Evans ML、Wattam TA、Holmes S. 等。 （1999）。食慾素 A 活化藍斑細胞放電並增加大鼠的興奮度。過程。國家。阿卡德。科學。美國 96, 10911–10916 10.1073/pnas.96.19.10911 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  29. 哈薩尼 OK、李 MG、瓊斯 BE (2009)。在整個睡眠-覺醒週期中，黑色素濃縮激素神經元與食慾素神經元以相互的方式釋放。過程。國家。阿卡德。科學。美國 106, 2418–2422 10.1073/pnas.0811400106 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  30. Hunsley MS、Curtis WR、Palmiter RD (2006)。缺乏去甲腎上腺素和下丘腦分泌素的小鼠的行為和睡眠/覺醒特徵。基因大腦行為。 5、451–457 10.1111/j.1601-183X.2005.00179.x [考研[交叉參考]
  31. 伊藤 K.，杉本 N. (2010)。腦幹去甲腎上腺素能係統在壓力、焦慮和憂鬱中的作用。 J.神經內分泌。 22, 355–361 10.1111/j.1365-2826.2010.01988.x [考研[交叉參考]
  32. 約翰J.、吳 M.-F.、Boehmer LN、Siegel JM (2004)。下視丘中猝倒活躍的神經元。神經元 42, 619–634 10.1016/S0896-6273(04)00247-8 [考研[交叉參考]
  33. 瓊斯 (2003)。喚醒系統。正面。生物科學。 8、s438–s451 [考研]
  34. Kalogiannis M.、Grupke SL、Potter PE、Edwards JG、Chemelli RM、Kisanuki YY 等。 （2010）。發作性睡病食慾素受體敲除小鼠在背側被蓋神經元中表現增強的膽鹼能特性。歐元。 J.神經科學。 32、130–142 10.1111/j.1460-9568.2010.07259.x [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  35. Kalogiannis M.、Hsu E.、Willie JT、Chemelli RM、Kisanuki YY、Yanagisawa M. 等。 （2011）。雙食慾素受體敲除小鼠發作性睡病發作的膽鹼能調節。公共圖書館一號 6：e18697 10.1371/journal.pone.0018697 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  36. Lee MG、Hassani OK、Jones BE (2005)。已辨識的食慾素/下視丘分泌素神經元在睡眠-覺醒週期中的放電。 J.神經科學。 25, 6716–6720 10.1523/JNEUROSCI.1887-05.2005 [考研[交叉參考]
  37. 利德布林克·P. (1974)。上行去甲腎上腺素路徑損傷對大鼠睡眠和覺醒的影響。腦研究。 74, 19–40 10.1016/0006-8993(74)90109-7 [考研[交叉參考]
  38. Lin L.、Faraco J.、Li R.、Kadotani H.、Rogers W.、Lin X. 等。 （1999）。犬隻發作性睡病的睡眠障礙是由下視丘分泌素（食慾素）受體 2 基因突變引起的。電池 98、365–376 10.1016/S0092-8674(00)81965-0 [考研[交叉參考]
  39. Liu M.、Blanco-Centurion C.、Konaadhode R.、Begum S.、Pelluru D.、Gerashchenko D. 等。 （2011）。將食慾素基因轉移到未定帶神經元中可抑制發作性睡病小鼠的肌肉麻痺。 J.神經科學。 31, 6028–6040 10.1523/JNEUROSCI.6069-10.2011 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  40. Marcus JN、Aschkenasi CJ、Lee CE、Chemelli RM、Saper CB、Yanagisawa M. 等。 （2001）。大鼠腦中食慾素受體 1 和 2 的差異性表現。 J.Comp。尼羅爾. 435, 6–25 [考研]
  41. Matsuki T.、Nomiyama M.、Takahira H.、Hirashima N.、Kunita S.、Takahashi S. 等。 （2009）。產生食慾素的神經元中 GABA(B) 受體的選擇性喪失會導致睡眠/覺醒結構破壞。過程。國家。阿卡德。科學。美國 106, 4459–4464 10.1073/pnas.0811126106 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  42. Mieda M.，Hasegawa E.，Kisanuki YY，Sinton CM，Yanagisawa M.，Sakurai T.（2011）。 食慾素受體-1和-2在調節非REM和REM睡眠中的不同作用。 J.Neurosci。 31，6518-6526 10.1523 / JNEUROSCI.6506-10.2011 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  43. 米森博克 G. (2009)。光遺傳學教義問答。科學 326, 395–399 10.1126/science.1174520​​XNUMX [考研[交叉參考]
  44. Mileykovskiy BY、Kiyashchenko LI、Siegel JM (2005)。已識別的下視丘分泌素/食慾素神經元活動的行為相關性。神經元 46, 787–798 10.1016/j.neuron.2005.04.035 [考研[交叉參考]
  45. Mochizuki T.、Arrigoni E.、Marcus JN、Clark EL、Yamamoto M.、Honer M. 等。 （2011）。下視丘後部的食慾素受體 2 表現可緩解發作性睡病小鼠的嗜睡。過程。國家。阿卡德。科學。美國 108, 4471–4476 10.1073/pnas.1012456108 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  46. Modirrousta M.，Mainville L.，瓊斯 BE (2005)。食慾素和 MCH 神經元在睡眠剝奪後與恢復後表達的 c-Fos 不同，並且具有不同的腎上腺素受體。歐元。 J.神經科學。 21, 2807–2816 10.1111/j.1460-9568.2005.04104.x [考研[交叉參考]
  47. Pape H.-C.、Jüngling K.、Seidenbecher T.、Lesting J.、Reinscheid RK (2010)。神經勝肽 S：大腦中調節恐懼和焦慮的傳導系統。神經藥理學 58, 29–34 10.1016/j.neuropharm.2009.06.001 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  48. Peyron C.、Faraco J.、Rogers W.、Ripley B.、Overeem S.、Charnay Y. 等。 （2000）。早發性嗜睡症病例的突變和人類嗜睡症患者大腦中普遍缺乏下視丘分泌素勝肽。納特。醫學。 6、991–997 10.1038/79690 [考研[交叉參考]
  49. 櫻井T.（2007）。食慾素（下視丘分泌素）的神經迴路：維持睡眠與清醒。納特。神經科學牧師。 8, 171–181 10.1038/nrn2092 [考研[交叉參考]
  50. Sakurai T.，Amemiya A.，Ishii M.，Matsuzaki I.，Chemelli RM，Tanaka H.，et al。 （1998）。 食慾素和食慾素受體：調節攝食行為的下丘腦神經肽和G蛋白偶聯受體家族。 Cell 92，573-585 10.1016 / S0092-8674（00）80949-6 [考研[交叉參考]
  51. Saper CB、Fuller PM、Pedersen NP、Lu J.、Scammell TE (2010)。睡眠狀態切換。神經元 68, 1023–1042 10.1016/j.neuron.2010.11.032 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  52. 佐佐木 K.、鈴木 M.、美田 M.、辻野 N.、羅斯 B.、櫻井 T. (2011)。食慾素神經元的藥物遺傳學調節改變小鼠的睡眠/覺醒狀態。公共圖書館一號 6：e20360 10.1371/journal.pone.0020360 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  53. Scammell TE、Willie JT、Guilleminault C.、Siegel JM，發作性睡病囓齒動物模型國際工作小組。 （2009）。發作性睡病小鼠模型中猝倒的共識定義。睡眠 32, 111–116 [PMC免費文章[考研]
  54. Scanziani M.、Häusser M. (2009)。光時代的電生理學。自然 461, 930–939 10.1038/nature08540 [考研[交叉參考]
  55. 西格爾 DS，曼德爾 AJ (1970)。腦室內輸注去甲腎上腺素期間大鼠的行為活化。過程。國家。阿卡德。科學。美國 66, 289–293 [PMC免費文章[考研]
  56. 塞加爾 A.、米格諾特 E. (2011)。睡眠和睡眠障礙的遺傳學。細胞 146, 194–207 10.1016/j.cell.2011.07.004 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  57. 高橋 K.、林 J.-S.、酒井 K. (2008)。小鼠喚醒睡眠狀態期間食慾素和非食慾素喚醒活性神經元的神經元活動。神經科學 153, 860–870 10.1016/j.neuroscience.2008.02.058 [考研[交叉參考]
  58. Thannickal TC、Moore RY、Nienhuis R.、Ramanathan L.、Gulyani S.、Aldrich M. 等。 （2000）。人類發作性睡病中下視丘分泌素神經元數量減少。神經元 27, 469–474 10.1016/S0896-6273(00)00058-1 [考研[交叉參考]
  59. Trivedi P.、Yu H.、MacNeil DJ、Van der Ploeg LH、Guan XM (1998)。大鼠腦中食慾素受體 mRNA 的分佈。 FEBS 快報。 438, 71–75 [考研]
  60. Tsai H.-C.、Zhang F.、Adamantidis A.、Stuber GD、Bonci A.、de Lecea L. 等。 （2009）。多巴胺能神經元的階段性放電足以進行行為調節。科學 324, 1080–1084 10.1126/science.1168878​​XNUMX [考研[交叉參考]
  61. Tsunematsu T.、Kilduff TS、Boyden ES、Takahashi S.、Tominaga M.、Yamanaka A. (2011)。食慾素/下視丘分泌素神經元的急性光遺傳學沉默可誘發小鼠慢波睡眠。 J.神經科學。 31, 10529–10539 10.1523/JNEUROSCI.0784-11.2011 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  62. Willie JT、Chemelli RM、Sinton CM、Tokita S.、Williams SC、Kisanuki YY 等。 （2003）。 Orexin 受體 2 和 Orexin 缺失小鼠不同的發作性睡病症候群：非快速動眼期和快速動眼睡眠調節過程的分子遺傳學剖析。神經元 38, 715–730 10.1016/S0896-6273(03)00330-1 [考研[交叉參考]
  63. 吳明富（2004）。發作性睡病犬在睡眠-覺醒週期和猝倒期間背側中縫細胞的活動。 J.生理學。 （倫敦）554, 202–215 10.1113/jphysiol.2003.052134 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  64. Yizhar O.、Fenno LE、Davidson TJ、Mogri M.、Deisseroth K. (2011)。神經系統中的光遺傳學。神經元 71, 9–34 10.1016/j.neuron.2011.06.004 [考研[交叉參考]
  65. 橫河 T.、Marin W.、Faraco J.、Pézeron G.、Appelbaum L.、Zhang J. 等。 （2007）。斑馬魚的睡眠特徵和下視丘分泌素受體突變體的失眠特徵。公共科學圖書館生物學。 5:e277 10.1371/journal.pbio.0050277 [PMC免費文章[考研[交叉參考]
  66. 張 F.、Gradinaru V.、Adamantidis AR、Durand R.、Airan RD、de Lecea L. 等。 （2010）。神經迴路的光遺傳學詢問：偵測哺乳動物大腦結構的技術。納特。協定. 5, 439–456 10.1038/nprot.2009.226 [考研[交叉參考]
  67. 張峰，王 L.-P.，博伊登 ES，Deisseroth K. (2006)。 Channelrhodopsin-2 和可興奮細胞的光學控制。納特。方法 3, 785–792 10.1038/nmeth936 [考研[交叉參考]