跳至内容

睡眠中的声音门卫:皮层怎样把声音接到唤醒

Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · 2025-01-31

Table of contents

No titles in the blog post

Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · 研究前沿

睡眠中的声音门卫:皮层怎样把声音接到唤醒

声音能否叫醒小鼠,既取决于响度,也关联睡眠中的脑活动;颞叶联合皮层通向杏仁核的一条联系参与其中。

AI 概念插画:睡眠中的小鼠与声音波纹

睡着之后,耳朵仍在接收声音,但大脑不会每次都把它变成一次醒来。同样的声音,有时穿过睡眠,有时留在梦外。2025 年发表于 Advanced Science 的研究,把目光投向小鼠颞叶联合皮层(TeA):这个皮层区域怎样响应声音,又怎样把声音接到唤醒系统?答案并非一个单纯的响度开关,而与睡眠阶段和声音到来前的脑活动交织在一起。

关键发现

TeA 兴奋性细胞参与声音诱发的 NREM 唤醒;削弱其活动,或抑制其中通向 BLA/La 的细胞群,都会让声音更难叫醒小鼠。

阅读目录 · 7个部分

活动更高,未必更容易醒

研究用脑电和肌电辨认睡眠阶段:非快速眼动睡眠(NREM)以慢波为特征,快速眼动睡眠(REM)则有另一种脑电节律与较低肌张力。声音要打断的并非一块始终相同的背景,这也使两种睡眠阶段的对比格外重要。

TeA 中 CaMKIIα 阳性细胞的钙活动,在清醒、NREM 和 REM 中都能记录到,REM 时反而最高。然而,直接激活这群细胞能迅速唤醒 NREM 中的小鼠,在 REM 中却没有同样效果。细胞活动的高低与它能否推动醒来,并不是一回事。

自然从 NREM 醒来时,这群细胞也没有明显的群体钙信号上升。研究于是从“所有醒来是否共享一种活动变化”,转向更具体的问题:声音打断睡眠时,它们会不会扮演不同角色?

原论文图 1高活动与唤醒能力的分离
高活动与唤醒能力的分离
原论文 Figure 1:TeA 细胞在 REM 中钙活动较高;激活诱发唤醒的效果集中于 NREM,自然 NREM 转清醒时未见明显群体信号增加。
来源:Yu H et al. · Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · CC BY
查看原图与英文图注 ↗

叫醒小鼠的声音,伴随更强皮层响应

在 NREM 中播放噪声,成功唤醒的试次伴随更强的 TeA 钙响应。较弱的声音遇上较高响应,也可能叫醒小鼠;较响的声音若伴随较低响应,唤醒机会则会减少。响度与皮层响应共同描绘了这道门的开合。

在清醒小鼠中,单细胞电活动和群体钙记录都显示,声音越强,TeA 响应通常越大;对不同纯音频率的选择却较弱。这里关注的因而更接近声音强弱怎样牵动唤醒,而不是精细区分音高。

研究进一步在声音出现时抑制 TeA 细胞。小鼠被叫醒的概率下降,醒来更晚,醒后的清醒持续时间也缩短。从记录到干预,这群细胞与声音唤醒的联系变得清楚。

原论文图 2声音响应与唤醒概率
声音响应与唤醒概率
原论文 Figure 2:NREM 中声音诱发的 TeA 钙响应与唤醒相关;抑制 TeA 降低唤醒概率,并改变唤醒延迟和清醒时长。
来源:Yu H et al. · Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · CC BY
查看原图与英文图注 ↗

门的状态,早已在变化

对于较轻的声音,后来醒来的试次,在声音开始前就有较高的 TeA 基线钙活动。较响声音下,这种基线差异不明显。外界输入较弱时,脑内原有状态与声音能否打断睡眠的联系尤其突出。

脑电还提供另一条线索:声音前部分 δ 慢波频段的功率越高,随后 TeA 的声音响应往往越弱。这是同步记录中的关联,让睡眠慢波与感觉响应相互联系,也解释了为何只知道音量仍难预测每一次醒来。

原论文图 3基线活动与睡眠慢波
基线活动与睡眠慢波
原论文 Figure 3:较轻声音的唤醒试次有较高的声音前基线钙活动;部分 δ 频段功率与随后 TeA 响应呈负向关联。
来源:Yu H et al. · Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · CC BY
查看原图与英文图注 ↗

能推动醒来,与会响应声音

TeA 的输出通向多个区域。激活它在杏仁核 BLA/La 或丘脑 LPMR 中的末梢,都能从 NREM 推动醒来,但其他受测靶点没有明显效果。接下来记录声音响应,两个有效靶点却分出了不同方向。

接收 TeA 输入的 BLA/La 细胞对噪声出现钙响应,LPMR 的相应细胞群则没有明显响应。人工激活能够唤醒,并不代表自然声音一定调用同一条联系;BLA/La 因而成为研究继续追踪的重点。

原论文图 4下游靶点的不同响应
下游靶点的不同响应
原论文 Figure 4:TeA 在 BLA/La 和 LPMR 的末梢激活均可诱发 NREM 唤醒;接收其输入的细胞群中,明显噪声响应见于 BLA/La。
来源:Yu H et al. · Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · CC BY
查看原图与英文图注 ↗

从皮层送来的兴奋性输入

这条联系的两端,以谷氨酸能细胞为主:通向 BLA/La 的 TeA 细胞主要分布于皮层第二至第五层,BLA/La 中接收输入的细胞也大多属于兴奋性细胞。这里的连接是皮层与杏仁核之间的一次兴奋性接力。

在脑片里激活 TeA 末梢,BLA/La 的谷氨酸能细胞出现兴奋性突触反应,部分还产生动作电位。解剖上的路径因此有了功能支撑:皮层输出确实能够推动下游细胞。

原论文图 5TeA 与 BLA/La 的兴奋性联系
TeA 与 BLA/La 的兴奋性联系
原论文 Figure 5:两端细胞类型与皮层层次分析,以及脑片中 TeA 末梢激活诱发的 BLA/La 兴奋性突触响应。
来源:Yu H et al. · Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · CC BY
查看原图与英文图注 ↗

削弱这群皮层细胞,声音更难穿过睡眠

最后,研究按投射关系选中通向 BLA/La 的 TeA 细胞,再降低这群细胞的活动。声音唤醒概率随之下降,唤醒延迟增加,醒后的清醒时间缩短。整个 TeA 的干预与这群投射细胞的干预,指向一致的行为变化。

干预改变的不只有是否醒来,还有多快醒来、清醒能维持多久。这三个变化把声音引发的一次短暂中断展开成完整过程,也让皮层参与唤醒的方式不再只剩下一个是或否。

声音并非简单地从耳朵一路直达清醒。它在进入唤醒网络之前,还经过一个会随睡眠状态改变的皮层环节;TeA 与 BLA/La 的联系,正是其中一段可以影响结果的连接。

原论文图 6投射细胞的抑制与声音唤醒
投射细胞的抑制与声音唤醒
原论文 Figure 6:抑制通向 BLA/La 的 TeA 细胞降低 NREM 声音唤醒概率、延长延迟并缩短清醒时间。
来源:Yu H et al. · Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · CC BY
查看原图与英文图注 ↗

听见与醒来之间,还有一道门

这项研究来自成年雄性小鼠,声音以噪声和纯音为主。它揭示的,是声音强度、脑内状态与一条皮层—杏仁核联系怎样共同关联唤醒。不同意义的自然声音是否经过同样的门控,仍是另一个有待回答的问题。

论文信息

Yu H, Wang J, Pang R, Chen P, Luo T, Zhang X, Liao Y, Hu C, Gu M, Luo B, Shi Z, Li M, Zhang Y, Wei Q, Yuan W, Xie H, Chen Z, Liu H, Ren S, Chen X, Zhou Y.
Temporal Association Cortex Gates Sound-Evoked Arousal from NREM Sleep
Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · 2025-01-31
DOI: 10.1002/advs.202414271