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梳理与觉醒:未定带两类细胞的不同分工

Nature communications · 2025-04-01

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Nature communications · 研究前沿

梳理与觉醒:未定带两类细胞的不同分工

小鼠研究将基因表达、细胞位置与远端连接串起来:未定带前部 Ecel1 细胞参与诱发梳理,中部 Pde11a 细胞及其脑桥投射促进觉醒。

根据论文主题制作的 AI 科学概念插画

小鼠抬起前爪梳理面部,或从睡眠中醒来,看似普通的动作背后,有不同细胞在参与。未定带是一处连接广泛、功能多样的脑区,单看区域名称很难猜中具体作用。发表于 Nature Communications 的研究把这里的细胞按基因表达与空间位置细分,再追踪它们的连接和行为影响:同为 GABA 能抑制性细胞,也可以承担很不一样的工作。

关键发现

前部 Ecel1 细胞经导水管周围灰质投射促进梳理,中部 Pde11a 细胞经脑桥网状结构投射促进由睡眠转向觉醒;两类细胞的作用随行为背景和昼夜阶段而异。

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同一脑区,藏着不同的细胞群

团队先从细胞核中的 RNA 表达辨认细胞类型,在未定带识别出六个 GABA 能细胞簇。再看这些标记出现在哪里,两群细胞格外清晰:表达 Ecel1 的细胞主要位于前部,表达 Pde11a 的细胞主要位于中部,彼此重叠很少。

这相当于把一张只有区域名称的地图,补上不同居民的身份。两群细胞大多带有 GABA 能标记,但各自占据不同位置。基因表达在这里提供了辨认细胞群的依据,让后续连接与行为观察有了更明确的对象。

原论文图 2基因表达与空间分布
基因表达与空间分布
原论文图2:a比较细胞簇的标记表达,b–c展示未定带不同分区的标记分布与密度,d–e显示 Ecel1 与 Pde11a 标记细胞重叠很少。
来源:Zhu M et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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抑制性细胞,也向远处发送信号

这两群细胞的轴突并不局限在身边。前部 Ecel1 细胞向导水管周围灰质等区域发出投射;中部 Pde11a 细胞则较多通向脑桥网状结构口侧部。两群细胞都有多个远端目的地,但投射分布明显不同。

导水管周围灰质参与感觉与多种行为调节,脑桥网状结构则与睡眠觉醒有关。不同目的地提示了不同功能,但连接图还只是故事的一半。团队接着观察成年雄鼠,把细胞活动的改变与实际行为联系起来。

原论文图 4两群细胞的远端投射
两群细胞的远端投射
原论文图4:a–b展示两类细胞标记,c–d比较导水管周围灰质和脑桥网状结构中的轴突信号,e汇总多个目标区的相对投射分布。
来源:Zhu M et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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响应在动作开始前升高

增强前部 Ecel1 细胞活动,小鼠梳理的时间与次数增加。这群细胞的信号,却没有在整段梳理期间持续保持高位:无论自发梳理还是喷水诱发梳理,钙信号在动作开始前升高,梳理期间下降,结束后回到基线附近。

这样的时序,使它们更像参与梳理启动前的准备与感觉响应,而不是逐个动作的持续驱动者。激活时,小鼠也回避与刺激相联系的地点;但开放场中心停留和高架十字迷宫开放臂停留没有显著改变。

原论文图 6梳理开始与结束附近的活动
梳理开始与结束附近的活动
原论文图6:c–d展示喷水诱发梳理,e–g展示梳理开始、结束附近的钙信号;响应在开始前升高,梳理期间降低,结束后回升。
来源:Zhu M et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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诱发梳理依赖它,自发梳理变化不明显

抑制或移除 Ecel1 细胞,会减少喷水诱发的梳理,却没有明显改变自发梳理。细胞激活能促进一种行为,不等于它在所有情境下都决定这项行为;感觉刺激带来的梳理,对这群细胞更为敏感。

追到下游,Ecel1 细胞向导水管周围灰质提供直接抑制性输入,激活这条投射也会增加梳理。激活通向外侧隔区、视前区、外侧下丘脑或上丘的其他投射,则未出现同样变化。

原论文图 7诱发梳理受到细胞调节
诱发梳理受到细胞调节
原论文图7:b–d展示激活后的梳理变化,g–i展示抑制细胞对喷水诱发梳理的影响,k–m展示移除细胞后诱发梳理时间与次数减少。
来源:Zhu M et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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另一群细胞,更容易让小鼠醒来

中部 Pde11a 细胞在快速眼动睡眠和觉醒时都有较高活动。增强这些细胞活动,可以促使小鼠从快速眼动或非快速眼动睡眠转为觉醒。自然状态下的群体活动与激活后的结果,共同呈现出它们对状态转换的参与。

这些细胞向脑桥网状结构口侧部提供直接抑制性输入。增强这条投射会提高非快速眼动睡眠转为觉醒的比例,减少进入非快速眼动睡眠及由其转入快速眼动睡眠的状态变化。抑制性信号的最终行为效果,取决于接收它的网络。

原论文图 9细胞与投射激活促进觉醒
细胞与投射激活促进觉醒
原论文图9:c–e展示细胞激活后的睡眠觉醒变化,f–h显示直接抑制性连接,j–l展示脑桥投射激活后觉醒比例及状态转换的变化。
来源:Zhu M et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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促醒作用,也改变睡眠片段

在通常用于休息的明期,增强 Pde11a 细胞活动会增加觉醒,减少两类睡眠,并让非快速眼动睡眠片段变短。短时抑制这群细胞没有显著改变睡眠状态;移除细胞后,变化主要出现在暗期,觉醒减少、睡眠增加,觉醒片段也变短。

两群细胞的分工还经受了交叉比较:移除 Pde11a 细胞不明显改变自发或诱发梳理,移除 Ecel1 细胞不明显改变睡眠觉醒指标。空间与基因表达上的差别,由此延伸到可观察的行为差别。

原论文图 10明期与暗期的睡眠觉醒变化
明期与暗期的睡眠觉醒变化
原论文图10:c–j展示细胞激活后的睡眠、觉醒及片段变化;l–s展示移除细胞后的结果,包括暗期觉醒减少和觉醒片段缩短。
来源:Zhu M et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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共同递质,不等于共同工作

未定带的名字没有改变,我们对它的认识却更细了。两类释放同一种抑制性递质的细胞,分布位置不同,远端连接不同,参与的行为也不同。研究把“某个脑区做什么”,推进到“其中哪群细胞、通过哪条连接参与”。

梳理的感觉背景、觉醒的昼夜阶段,又让这种分工多了一层时间与情境。小鼠一个看似简单的动作,背后并不是所有细胞一起开关,而是不同群体在不同条件下发挥各自作用。

论文信息

Zhu M, Peng J, Wang M, Lin S, Zhang H, Zhou Y, Dai X, Zhao H, Yu YQ, Shen L, Li XM, Chen J.
Transcriptomic and spatial GABAergic neuron subtypes in zona incerta mediate distinct innate behaviors
Nature communications · 2025-04-01
DOI: 10.1038/s41467-025-57896-2