J Neurosci 封面文章︱深圳先进院刘畅团队合作发表揭示调控睡眠的细胞亚型的时空特异性
by 管理员 | 2023-02-03
Science 公布的125个最具挑战性的科学问题之一是：为什么我们需要睡眠？尽管有多种学说，然而至今还依旧是个待解之谜。睡眠受昼夜节律和睡眠稳态的内在因素以及多种外在因素的调控，影响生理机能。研究人员从分子、细胞、环路及网络水平层次上对睡眠调控的机制开展解析，取得了令人欣喜的一系列进展。但是多个脑区以及多种细胞类型如何协同调控睡眠依旧不清楚，通过对细胞特异性功能的解析为理解大脑编码和整合的基本原理创造了新的契机。果蝇，与脊椎动物睡眠特征高度保守，其强大的遗传学操作手段、较短的生命周期，从2000年起成为研究睡眠的模式动物新宠，在解析睡眠调控的基本原理中发挥着重要功能。
近期，中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）脑认知与脑疾病研究所、深港脑科学创新研究院刘畅团队与美国布兰迪斯大学Leslie C. Griffith团队合作，在the Journal of Neuroscience上以封面论文形式发表了题为“Subtype-specific roles of ellipsoid body ring neurons in sleep regulation in Drosophila”的研究论文，结合神经行为学、经典的遗传学手段与两种数学模型分析等方法，鉴定出果蝇中央脑椭球体中不同环状神经元亚型协同调控睡眠总量、睡眠结构和睡眠稳态。中国科学院深圳先进技术研究院刘畅团队的研究助理闫薇为文章第一作者，刘畅研究员和Leslie C. Griffith教授为文章的共同通讯作者。
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以往的研究在描述椭球体环状神经元不同亚型的形态和解剖学连结性方面取得了系列进展，但睡眠调节的细胞亚型特异性在很大程度上是未知的。研究团队利用现有的果蝇品系资源库，搜集了34个标记椭球体环状神经元的品系，利用热遗传工具dTrpA1，激活不同类型的椭球体环状神经元，同时记录果蝇的睡眠行为表征，通过分析睡眠总量、觉醒次数、睡眠片段长度以及清醒到睡眠（P(doze)）、睡眠到清醒（P(wake)）的可能性，发现多种椭球体环状神经元协同影响睡眠总量以及睡眠结构。此外， 团队利用混合高斯模型的方法，通过对空间分布上睡眠深度和压力（△ P(doze)/ △ P(wake)）有类似影响的品系加以聚类，鉴定出调控睡眠的5个群组，及其在白天和夜晚调控功能的动态变化趋势。例如，在白天，R4m亚型强有力地调节睡眠深度/觉醒；R3d/m可增强的睡眠驱动力。在夜晚，R3a/m/p等亚型促醒的趋势较白天更为显著，而不同的R4m分别增强了睡眠压力或者降低了睡眠深度。为进一步区分特定亚型的效应，研究团队采用了第二种数学方法一般线性模型（GLM）开展分析，以环状神经元亚型为变量，分别计算每个亚型对白天和夜间所有睡眠参数的潜在贡献的权重。最终抽提出两类具有特定功能的椭球体环状神经元亚型：R3p和R4m，前者通过调控睡眠片段时长而影响日间睡眠总量，后者调控夜间睡眠。研究团队2019年发表在Current Biology的研究揭示了椭球体中5HT7受体神经元可以在不改变睡眠量的情况下导致睡眠碎片化，而根据最近的解剖分析，5HT7-GAL4标记的神经元包括R3d、R3p和R4d亚型。进一步，通过遗传学工具仅激活R3d神经元亚型，发现觉醒次数增加而睡眠片段时长缩短，最终将睡眠碎片效应细化到R3d。
环状神经元多种亚型参与睡眠/结构调控的示意图
同行评价该研究为“最为透彻的椭球体环路与睡眠调控的研究”（This paper is the most thorough study to date examining the role of ellipsoid body circuit and sleep. It is very valuable in and of itself, but it is also useful to interpret much of the other sleep work in the field.），也被杂志推选为本期的精选文章（Featured Article）。
该研究得到了国家自然科学基金委、广东省自然科学基金、中国科学院脑联结解析与调控重点实验室以及深港脑科学创新研究院等项目资助。