快速眼動睡眠分期和皮層調控研究取得新成果

　　11月18日，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）劉丹倩研究組在Nature Neuroscience上，在線發表了題為Cortical Regulation of Two-stage Rapid Eye Movement Sleep的研究論文。該研究首次揭示并定義了小鼠快速眼動睡眠（REM睡眠）的兩個階段——安靜期和活躍期，分別對應顯著不同的面部表情、自主神經活動和腦電頻譜。應用大規模寬場熒光鈣成像技術，研究發現了小鼠壓后皮層（RSC）在REM睡眠中選擇性激活，并特異性地起始了跨腦區傳播的鈣波。結合雙光子成像、機器學習算法和光遺傳學等手段，研究明確了RSC在REM睡眠分期的編碼和調控中的重要作用。該工作實現了對REM睡眠分期和調控機制認識的重要進展，為探究夢境睡眠的復雜性奠定了堅實基礎。

　　REM睡眠，最早由美國科學家Eugene Aserinsky發現并定義。他在記錄兒子睡眠時發現了一種重復出現的睡眠狀態——眼部肌肉高度活躍，后續證實了這是一種特殊的睡眠狀態，伴隨著腦電活動低頻高幅的活躍態、軀干肌肉的明顯僵直，將其定義為REM睡眠，因常伴隨著豐富生動的夢境，又被稱為夢境睡眠。然而，在REM睡眠被發現多年后，為什么在大腦皮層高度活躍的狀態能屏蔽外界刺激以維持睡眠？為什么做夢？夢境伴隨的高度活躍的大腦皮層活動是否具有生物學意義？它們如何參與高級認知活動（如記憶、情緒處理等）？這些問題尚未有明確答案。從進化上來說，REM睡眠存在于鳥類、哺乳類等具有類大腦或大腦皮層的高等動物中，因而探索REM睡眠狀態下的大腦皮層活動以及調控機制對解析神經系統在進化上的演變具有重要意義。然而，現有研究多聚焦單個大腦皮層區域，具有局限性。本研究對小鼠的整個背側皮層的鈣活動進行高時空分辨率的大規模檢測，從全局視角來剖析REM睡眠調控和大腦皮層活動之間的關系。

　　為探究REM睡眠的大腦皮層活動，科研團隊在Thy1-GCaMP6s轉基因小鼠上安裝了覆蓋全背側皮層的透明玻璃窗口，以觀測全局的大腦皮層的鈣信號，并對小鼠的腦電、肌電、面部行為和血氧等進行同時監測（圖A）。該研究首先發現，REM睡眠期大腦皮層的活躍模式與清醒期顯著不同，在空間獨立成分分析所獲得的十一個皮層功能模塊中，RSC腦區在REM睡眠特異性地高度活躍（圖A）。結合活動時序因果性分析（Granger causality）和時空序列分析（spatiotemporal “motif”），研究發現REM睡眠中大腦皮層有豐富的跨腦區傳播的鈣波，這些鈣波均特異性地起始于RSC（圖B）。利用雙光子顯微鏡進行單細胞分辨率的鈣成像，研究發現RSC的第二/三層（而非第五層）的錐體神經元在REM睡眠中顯著激活，說明RSC的選擇性激活還具有細胞層特異性（圖C）。

　　研究人員觀察小鼠REM期的面部視頻時發現，除了間歇性的快速眼動外，還有持續的豐富面部運動，包括臉部咀嚼肌和胡須等的運動（圖D）。通過對面部表情或面部肌電進行特征分析和無監督聚類，研究發現REM睡眠包含兩個不同階段，即不具任何面部運動的“安靜”期（qREM）和具有面部運動的“活躍”期（aREM，圖D）。在這兩個REM階段中，面部運動、腦電頻譜和自主神經系統活動都存在顯著差異，且REM睡眠總是從qREM過渡到aREM。在REM睡眠中，RSC第二/三層神經元的群體活動呈現明顯的兩種不同模式的時序發放（圖C），而活動模式的切換與qREM→aREM的轉換吻合（圖E）。研究通過閉環系統在REM睡眠對RSC活動進行特異性抑制發現，小鼠REM睡眠片段化，qREM→ aREM的轉換和aREM的維持均有顯著降低，從而明確了RSC在REM睡眠亞階段轉換中的關鍵性作用（圖F）。

　　該研究首次揭示并定義了REM睡眠的分期及轉換規律，系統闡釋了小鼠在REM睡眠中特征性的跨大腦皮層的鈣波。RSC神經元在介導皮層鈣波和調控REM睡眠分期中均發揮重要作用。近年來，基于non-REM睡眠的不同分期進行特異性神經活動觀測與調控的研究，使得non-REM的功能研究有了快速進展。該研究揭示的REM睡眠分期將促進對REM睡眠功能的精準解析，并為理解夢境睡眠的復雜性提出了全新思路。

　　研究得到中科院、科技部、國家自然科學基金、上海市和臨港實驗室的支持。