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杏仁核的三条输出,清醒与探索各有分工

JCI insight · 2024-06-06

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JCI insight · 研究前沿

杏仁核的三条输出,清醒与探索各有分工

小鼠研究发现,内侧杏仁核后腹侧部的不同输出,对清醒、开放空间探索和体动呈现不同作用;连续睡眠剥夺又改变了这些线路的响应。

根据论文主题制作的 AI 科学概念插画

突然的声音把小鼠从睡眠中叫醒,与它自然醒来,是同样的神经过程吗?2024年发表于 JCI Insight 的研究,观察内侧杏仁核后腹侧部(MePV)中带有兴奋性细胞特征的群体,发现它们对外部刺激唤醒有明显响应。提高这群细胞活动后,清醒与焦虑样探索一起改变;沿着输出继续追踪,却出现了不同分工。连续睡眠剥夺之后,同一节点的作用又带上了新的状态背景。

关键发现

MePV输出至PMCo或BNST,可促进受测清醒;输出至VMH主要改变探索与体动,睡眠指标未显著变化。睡眠剥夺后抑制MePV群体,增加NREM睡眠并改善部分探索表现,REM时间未显著改变。

阅读目录 · 8个部分

外部刺激唤醒,带来明显钙响应

群体钙记录与脑电、肌电相配合,让研究者跟随睡眠状态转换。外部刺激将小鼠从NREM睡眠唤醒时,MePV钙信号明显升高;自然从NREM醒来时,没有同样突出的上升。细胞响应与醒来的情境有关。

这群细胞还在NREM转向REM时出现信号升高,从REM自然醒来时信号下降。迷宫中靠近开放臂,信号升高,返回闭臂则降低。它们的活动随具体事件变化,将睡眠转换与探索情境放进同一幅观察图景。

原论文图 1外部刺激唤醒,带来明显钙响应
外部刺激唤醒,带来明显钙响应
原论文 Figure 1:MePV钙活动随开放臂探索及不同睡眠转换而变化;外部刺激唤醒与自然醒来的响应不同。
来源:Li Y et al. · JCI insight · CC BY
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清醒增加,开放区域停留减少

提高MePV兴奋性标记细胞活动后,小鼠清醒时间增加,NREM和REM睡眠减少。同时,开放场中央与迷宫开放臂停留减少,整体行走距离没有显著改变。不同激活方式得到相近方向,使活动变化与行为效应相互呼应。

主要实验在雄鼠中进行,补充的雌鼠激活实验也观察到NREM减少和开放臂停留降低。对这个细胞群,清醒增加可以与更少的开放探索同时出现;接下来,研究沿输出寻找两种变化的组织方式。

原论文图 2清醒增加,开放区域停留减少
清醒增加,开放区域停留减少
原论文 Figure 2:MePV群体激活增加清醒、减少NREM与REM,并降低开放区域停留;总运动距离未显著改变。
来源:Li Y et al. · JCI insight · CC BY
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一条输出促进清醒,也增加体动

MePV输出抵达后内侧皮层杏仁核区PMCo。末梢激活可以在当地细胞中引出兴奋性电流,也能让小鼠更快从NREM醒来。较长观察窗口内,清醒增加,NREM与REM减少,显示这条分支能够影响睡眠状态。

这一输出的行为结果,与整体MePV激活不同:总行走距离增加,开放臂停留增多,开放场中央停留却没有显著变化。清醒、体动与探索选择,因此呈现了一种特定组合。

原论文图 4一条输出促进清醒,也增加体动
一条输出促进清醒,也增加体动
原论文 Figure 4:PMCo末梢激活促进清醒、增加体动及开放臂停留;开放场中央时间未显著改变。
来源:Li Y et al. · JCI insight · CC BY
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清醒改变,受测探索指标保持相近

另一条输出抵达终纹床核BNST。末梢激活同样产生当地兴奋性响应,促进NREM向清醒转换;持续观察时,清醒时间增加,NREM和REM睡眠减少。

但在开放场和迷宫中,总距离、中央停留及开放臂停留没有显著变化。这条分支将清醒促进与受测焦虑样探索指标分开,说明两类行为变化可以有不同的输出基础。

原论文图 5清醒改变,受测探索指标保持相近
清醒改变,受测探索指标保持相近
原论文 Figure 5:BNST末梢激活促进清醒,但受测体动、开放场中央及迷宫开放臂时间未显著改变。
来源:Li Y et al. · JCI insight · CC BY
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探索与体动下降,睡眠没有同样变化

投向腹内侧下丘脑VMH的输出,又呈现第三种结果。当地末梢激活能引起兴奋性电流,但没有显著加快NREM醒来,也未显著改变受测清醒、NREM或REM时间。

动物的行走距离、开放场中央时间和开放臂停留却减少。睡眠状态与探索表现,在这一输出中再次分离;体动同步下降,也是理解这些行为读数的一部分。三个接收区域,并没有复制同一套整体效果。

原论文图 6探索与体动下降,睡眠没有同样变化
探索与体动下降,睡眠没有同样变化
原论文 Figure 6:VMH末梢激活降低运动及开放区域停留,受测睡眠和清醒指标未显著改变。
来源:Li Y et al. · JCI insight · CC BY
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开放探索增加,自然睡眠大体保留

降低MePV群体活动后,正常状态小鼠在开放场中央和开放臂停留更多,运动距离没有显著改变。与这些探索变化同时存在的,是受测清醒、NREM和REM时间未显著改变。

激活实验与抑制实验呈现不同结果:提高活动能促进清醒,平常状态下的睡眠却没有随着活动降低而显著变化。MePV对清醒与开放探索的影响,因此带着不同的状态背景。

原论文图 7开放探索增加,自然睡眠大体保留
开放探索增加,自然睡眠大体保留
原论文 Figure 7:正常状态下MePV抑制增加开放区域停留;运动及受测睡眠状态时间未显著改变。
来源:Li Y et al. · JCI insight · CC BY
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同样的输入,下游回应变了

连续睡眠剥夺后,MePV、PMCo和VMH的c-Fos标记增加,BNST没有显著增加。进一步在相同MePV激活条件下比较,下游PMCo和VMH的受测钙响应增强,BNST响应则减弱。活动标记与诱发响应描述了不同层面的变化。

睡眠经历因此没有让所有分支同向变强。不同接收区域的响应发生重新调整,使这一节点在连续睡眠不足后的作用,与正常状态有了新的区别。

原论文图 8同样的输入,下游回应变了
同样的输入,下游回应变了
原论文 Figure 8:睡眠剥夺后部分区域c-Fos增加;MePV激活诱发的PMCo、VMH钙响应增强,BNST响应减弱。
来源:Li Y et al. · JCI insight · CC BY
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NREM回升,REM仍保持原有差别

第一天睡眠剥夺后,小鼠出现较多回补睡眠;随后的观察中,清醒相对这一回补阶段增加。连续剥夺结束后抑制MePV,清醒时间降低,NREM时间增加;REM时间却未显著改变。

与此同时,开放场中央与开放臂探索增加,整体运动相近。主要雄鼠实验中的这组结果显示,杏仁核的作用取决于输出去向,也取决于此前的睡眠经历:同一个节点,可以把清醒与探索调节成不同组合。

原论文图 9NREM回升,REM仍保持原有差别
NREM回升,REM仍保持原有差别
原论文 Figure 9:睡眠剥夺后MePV抑制降低清醒、增加NREM,REM时间未显著改变;开放区域探索改善、运动距离相近。
来源:Li Y et al. · JCI insight · CC BY
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论文信息

Li Y, Deng Y, Zhang Y, Xu D, Zhang X, Li Y, Li Y, Chen M, Wang Y, Zhang J, Wang L, Cang Y, Cao P, Bi L, Xu H.
Distinct glutamatergic projections of the posteroventral medial amygdala play different roles in arousal and anxiety
JCI insight · 2024-06-06
DOI: 10.1172/jci.insight.176329