活跃的夜晚,为何突然打个盹?小鼠前额叶里的定时“松油门”
NPAS2 通过 POU2F2 调节 TH 表达与局部多巴胺信号,让促觉醒活动在特定时段降低,为小鼠短暂小睡形成窗口。
对夜行性小鼠来说,夜晚是忙碌的时间。但不少小鼠会在活动期后段停下来,睡上几十分钟。为什么偏偏在这时?发表于 Nature Communications 的研究发现,答案与内侧前额叶里的昼夜节律调节因子 NPAS2 有关。它通过一个分子接力,让局部促觉醒活动在小睡时段出现低谷。就像行进中短暂松开油门,清醒驱动的力量降低,睡眠获得了一个可以发生的窗口。
局部 NPAS2—POU2F2—TH 调控链,把分子表达、神经活动和小睡时间联系起来;降低 NPAS2 后,原有的小睡窗口减少或消失。
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活动暂停里,藏着一段真正的睡眠
这段休息并非只是蹲着不动。脑电与肌电显示,其中主要是非快速眼动睡眠(NREM),快速眼动睡眠很少。即使处在恒暗环境,小睡仍然出现,时长和慢波活动强度没有明显变化;短暂缺少食物也没有消除它。即时光照或进食,因此并不足以解释这份时间规律。
少了这段小睡,小鼠在随后几小时的记忆和物体注意任务中表现下降。到下一活动期,所测变化已不再显著,休息期的补偿性睡眠则增加。短暂的小睡因此与后续任务表现有了联系,而恢复时间也成为故事的一部分:失去一段睡眠后,动物会在另一时段增加睡眠。
来源:Guo L et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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找到影响这段小睡的时钟因子
研究比较多种核心时钟基因。Bmal1 缺失会扰乱整体节律,Npas2 缺失则使这段特定小睡消失,其他时段睡眠没有同样改变;若干其他时钟基因单独缺失,小睡依旧保留。NPAS2 的特点由此显现:它与一天里某个睡眠窗口的关系,比整体睡眠总量更具体。
接着,区域比较把线索指向内侧前额叶(mPFC)。降低当地 Npas2,小睡减少;在缺失小鼠的 mPFC 恢复表达,小睡重新出现。其他受检脑区没有呈现同样结果。不小睡的野生型个体,当地 NPAS2 表达也较低。分子差异、局部改变和行为结果,逐步汇聚到同一位置。
来源:Guo L et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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哪些细胞,在小睡时段需要慢下来?
研究关注带有 TH 标记的前额叶细胞。TH 是儿茶酚胺合成相关酶,这些细胞在清醒时钙活动更强。提高它们的活动,清醒增加、睡眠减少;降低活动则相反,小睡也随之变化。相较之下,对当地谷氨酸能群体的受检干预没有显著改变睡眠状态,功能线索因而更加集中。
这群细胞内部也有差别。约四成 TH 阳性细胞同时表达多巴胺合成相关的 Ddc;群体活动升高时,当地细胞外多巴胺信号也增强。两项观察支持其中有多巴胺相关亚群。围绕小睡的睡眠变化主要体现在清醒与 NREM,REM 并未在各项比较中都显著改变。
来源:Guo L et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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促进一个因子,压低另一个信号
NPAS2 怎样让促觉醒细胞慢下来?中间的接力者是 POU2F2。NPAS2 促进它的表达,POU2F2 再抑制 Th 的转录。表达、启动子活性与结合证据共同支持这条调控链;降低小鼠前额叶 Pou2f2 后,TH 与多巴胺升高,小睡消失。分子层面的一升一降,与行为时间窗接上了关系。
缺少 Npas2 时,小睡时段的局部钙活动、放电和多巴胺信号都更高;降低 TH 阳性群体活动,能够恢复小睡倾向。其他受检多巴胺相关基因没有一致变化,在腹侧被盖区改变 NPAS2 也没有复制这个小睡表型。故事的重点由此落在前额叶的局部调节,以及它发生的时间。
来源:Guo L et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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给清醒驱动安排一次短暂退场
活动期后段,NPAS2 与 POU2F2 表达升高,TH、细胞放电及多巴胺信号则在习惯小睡的时段形成低谷。部分节律在恒暗条件下依旧存在。失去 Npas2 后,这个低谷消失;相关药理观察中,表达高峰的移位也伴随小睡和低活动窗口移动。多个层次的时间变化彼此呼应。
因此,小睡可以被理解为清醒力量暂时减弱之后出现的机会。研究把分子表达的周期,连接到细胞活动的低谷,再连接到睡眠窗口;作者的模型描绘了这个过程。具体下游细胞如何接过这段变化仍在模型之外,但局部觉醒驱动何时降低,已经成为能够追踪的机制问题。
来源:Guo L et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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小睡,既是睡多久,也是何时睡
雌雄小鼠的小睡比例没有显著差异,后续主要机制观察则以雄性小鼠为主。这项夜行性动物研究最有趣的认识,是睡眠的组织有一份局部时间表:前额叶里的分子接力,让促觉醒信号在特定时段降低。一段几十分钟的小睡,就这样与基因表达、细胞活动和一天中的位置联系起来。