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文獻(xiàn)精讀第30期

文章概述
人的一生中大約三分之一的時間在睡覺，睡眠對于維持機(jī)體正常的生理功能十分重要。睡眠的功能包括代謝恢復(fù)、解毒、突觸可塑性調(diào)節(jié)和記憶鞏固等。神經(jīng)發(fā)育障礙，如自閉癥譜系障礙、精神分裂癥等，常常會導(dǎo)致睡眠障礙，包括睡眠啟動延遲、睡眠時間縮短和睡眠碎片化等問題，而發(fā)育性的睡眠障礙和成年行為異常之間的因果關(guān)系仍然難以確定。2022年5月26日，斯坦福大學(xué)的研究人員在《Nature Neuroscience》雜志上發(fā)表題為“Adolescent sleep shapes social novelty preference in mice”的文章。文章作者通過光纖記錄、體外電生理和化學(xué)遺傳學(xué)等手段，證實(shí)了青少年時期睡眠中斷（Sleep Disruption, SD）會導(dǎo)致與社交互動行為密切相關(guān)的腹側(cè)被蓋區(qū)（Ventral Tegmental Area, VTA）多巴胺能環(huán)路出現(xiàn)一系列的長期功能和結(jié)構(gòu)變化，并導(dǎo)致社交新奇偏好損害。這種發(fā)育性睡眠功能受到青春期VTA活動的調(diào)節(jié)，激活VTA模擬了青春期SD引起社交缺陷，而沉默VTA則拯救了青春期SD引起社交缺陷。最后，作者利用自閉癥小鼠模型證明，修復(fù)青春期睡眠或糾正VTA的活動可以改善成年后的社交缺陷。

核心觀點(diǎn)

1、青春期SD導(dǎo)致動物社交新奇偏好長期損害，并改變VTA多巴胺能神經(jīng)元的激活和釋放模式；
2、青春期VTA激活模擬了青春期SD引起社交缺陷，而VTA沉默則拯救了青春期SD引起社交缺陷；
3、在自閉癥小鼠模型中，修復(fù)青春期睡眠或糾正VTA的活動拯救了小鼠成年后的社交缺陷。

研究結(jié)果分析

1. 青春期SD會影響小鼠成年后的社交新奇偏好
為了研究青少年時期的SD是否會影響成年后的社交行為，作者利用自動睡眠剝奪系統(tǒng)來干擾動物的睡眠，并通過三箱社交實(shí)驗(yàn)來檢測動物的社交能力和社交新奇偏好。研究結(jié)果顯示，青春期SD不會影響小鼠的社交能力，但是會損害小鼠的社交新奇偏好。這種社交新奇偏好的缺陷不是由于與睡眠剝奪相關(guān)的慢性壓力造成的，因?yàn)樵谇啻浩诘穆�性束縛壓力并沒有導(dǎo)致類似的缺陷。青春期SD對社交新奇偏好的影響持續(xù)時間較長，在初次實(shí)驗(yàn)4周后仍然能夠檢測檢測到SD小鼠社交新奇偏好缺陷。將同樣的SD方案應(yīng)用于成年小鼠并不能導(dǎo)致動物社交能力或社交新奇偏好方面的任何缺陷，這表明社交新奇偏好要求小鼠在青春期的睡眠不受干擾，而非成年時期。
 

2. 青春期SD能夠削弱小鼠與社交新奇性相關(guān)的VTA激活
為了搞清楚哪些大腦結(jié)構(gòu)可能是青春期SD引起的社交新奇偏好缺陷的基礎(chǔ)，作者利用光纖記錄系統(tǒng)檢測了與社交互動密切相關(guān)的VTA 多巴胺能神經(jīng)元的活動情況。作者發(fā)現(xiàn)VTA 多巴胺能神經(jīng)元的整體活性并沒有變化，然而，當(dāng)追蹤到每個相互作用時，作者在對照組小鼠中發(fā)現(xiàn)了一種依賴于社交新奇性的VTA激活模式，而在SD組小鼠中則沒有。當(dāng)測試小鼠遇到第一次社交刺激時，對照組小鼠VTA多巴胺能神經(jīng)元表現(xiàn)出顯著的激活，但這些神經(jīng)元的反應(yīng)隨著社交互動的增加迅速呈指數(shù)下降。當(dāng)對照小鼠遇到第二次新的陌生小鼠時，VTA多巴胺能神經(jīng)元顯著反應(yīng)再次出現(xiàn)，并再次迅速下降，而已經(jīng)熟悉的小鼠沒能引起VTA神經(jīng)元的明顯反應(yīng)。然而，在SD小鼠中，小鼠第一次遇到陌生小鼠時VTA多巴胺能神經(jīng)元的反應(yīng)明顯減弱，而在第二次遇到新的陌生小鼠時VTA神經(jīng)元的反應(yīng)完全消失。并且作者注意到，在SD組中，大量的Ca²⁺活動仍然發(fā)生，但與社交互動事件沒有時間上的一致性，這表明VTA的激活與社交新奇性脫鉤。
 

3. 青少年SD導(dǎo)致小鼠社交互動中的多巴胺的釋放受損
VTA多巴胺能神經(jīng)元在處理社會獎勵和調(diào)節(jié)社交行為方面的作用依賴于它們在中皮層的下游投射，包括伏隔核（Nucleus Accumbens, NAc）和前額葉皮層（Prefrontal Cortex, PFC）。為了檢測NAc是否是青春期SD引發(fā)社交障礙的靶點(diǎn)，作者利用多巴胺探針傳感器來直接測量NAc中的多巴胺釋放，結(jié)果顯示，NAc中的多巴胺釋放與VTA神經(jīng)元反應(yīng)模式一致。SD小鼠遇到第一次社交刺激時，NAc中的多巴胺釋放異常升高，而在遇到第二次新的社交刺激時，NAc中的多巴胺釋放信號受損。

4.青春期SD會改變VTA的神經(jīng)投射輪廓
因?yàn)榍啻浩赟D會導(dǎo)致成年后長期的社交缺陷和NAc中異常的多巴胺釋放，因此，作者假設(shè)青春期SD會引發(fā)VTA投射環(huán)路永-久性的結(jié)構(gòu)變化。作者使用雙標(biāo)記策略檢測了VTA 多巴胺能神經(jīng)元到NAc和mPFC的投射。與NAc中多巴胺釋放異常增加的結(jié)果一致，SD小鼠NAc中的中型多棘神經(jīng)元受VTA的神經(jīng)支配增加，而mPFC中的錐體神經(jīng)元受VTA的神經(jīng)支配減少，其中間神經(jīng)元沒有變化。這些形態(tài)學(xué)特征表明，SD誘導(dǎo)的VTA投射靶點(diǎn)的結(jié)構(gòu)變化對社交互動至關(guān)重要。
 

5. 青春期VTA的活動對小鼠社交新奇偏好的形成至關(guān)重要
VTA多巴胺神經(jīng)元在清醒時高度活躍，但在睡眠時基本沉默，青春期SD導(dǎo)致VTA過度興奮。因此，作者考慮在青春期通過連貫的睡眠/覺醒周期維持VTA平衡活動水平是否對塑造社交新奇偏好至關(guān)重要。為此，作者首先檢測了在青春期直接過度刺激VTA 多巴胺能神經(jīng)元是否足以導(dǎo)致成年后的社交互動缺陷。通過化學(xué)遺傳學(xué)手段特異性的激活VTA能夠?qū)е聞游锷缃恍缕嫫�好的喪失，但不影響其整體社交能力。因?yàn)榧せ頥TA減少了非快速眼動睡眠，這可能是其他環(huán)路受到睡眠減少/清醒增加的影響重現(xiàn)了SD行為表型。為了排除這種可能性，作者利用化學(xué)遺傳學(xué)手段特異性的抑制了青春期SD小鼠VTA的激活，VTA多巴胺能神經(jīng)元抑制恢復(fù)了SD小鼠的社交新奇偏好。這些結(jié)果表明，青春期睡眠會影響VTA多巴胺能神經(jīng)元對社交新奇偏好的塑造，而在青少年關(guān)鍵時期，VTA活動的均衡是調(diào)節(jié)這一關(guān)鍵睡眠功能所必需和充分的。除了行為學(xué)結(jié)果之外，作者還發(fā)現(xiàn)了與上述結(jié)果一致的形態(tài)學(xué)改變，VTA被特異性激活后，小鼠NAc中多巴胺能神經(jīng)支配增加，而VTA特異性抑制則導(dǎo)致SD小鼠NAc中多巴胺能神經(jīng)支配減少。
 

6. 修復(fù)青春期睡眠拯救了自閉癥小鼠的社交缺陷
在確定了持續(xù)干擾青春期睡眠會損害社交新奇偏好、VTA-NAc環(huán)路的社交新奇性反應(yīng)以及成年后VTA投射輪廓后，作者想進(jìn)一步了解睡眠異常是否會在青春期自發(fā)地發(fā)生在神經(jīng)發(fā)育障礙動物模型中，以及恢復(fù)青春期睡眠是否可以挽救這些動物的社交缺陷。為此，作者使用了一個自閉癥小鼠模型（InsG3680^+/+小鼠）。與同窩野生型小鼠相比，InsG3680^+/+小鼠清醒時間更多，非快速眼動睡眠更少，在NAc中的多巴胺能神經(jīng)支配增加，VTA軸突表型類似于青春期SD小鼠以及異常的VTA興奮。接下來，作者利用氟吡汀來糾正InsG3680^+/+小鼠的青春期睡眠缺陷。氟吡汀顯著增加了InsG3680^+/+小鼠非快速眼動的時間，降低了清醒時間，使得小鼠睡眠時間的完全補(bǔ)償達(dá)到了與野生型小鼠相當(dāng)?shù)乃�平。重要的是，在青春期給予氟吡汀的InsG3680^+/+小鼠，其社交新奇偏好完全恢復(fù)。此外，作者在不改變睡眠/清醒狀態(tài)總時間的情況下，通過增加InsG3680^+/+小鼠特定的睡眠成分（皮層慢波活動，SWA），完全恢復(fù)了小鼠的社交新奇偏好。由于抑制VTA活動可拯救青春期SD小鼠的社交缺陷，作者進(jìn)一步通過化學(xué)遺傳學(xué)抑制了InsG3680^+/+小鼠青春期VTA的活動，小鼠的社交缺陷得以恢復(fù)。因此，作者證明了改善非快速眼動睡眠以及減少青春期關(guān)鍵期VTA活動可以恢復(fù)自閉癥小鼠的社交新奇偏好。
 

總結(jié)

該研究闡述了青春期睡眠和社交行為發(fā)展之間的聯(lián)系，青春期SD導(dǎo)致成年后社交新奇偏好以及與社交互動密切相關(guān)的VTA-NAc環(huán)路受損。VTA-NAc社交環(huán)路作為青春期SD的靶點(diǎn)，在研究中，作者發(fā)現(xiàn)青春期SD能夠誘導(dǎo)VTA-NAc環(huán)路出現(xiàn)一系列結(jié)構(gòu)和功能長期改變。在SD小鼠中，VTA的激活模式不再是社交新奇刺激所特有的，與社交新奇相關(guān)的活動在很大程度上出現(xiàn)了減弱。NAc中多巴胺釋放信號更是在社交新奇刺激中完全消失。此外，在青少年的關(guān)鍵時期，激活VTA能夠?qū)е聞游锷缃恍缕嫫�好喪失，而特異性抑制VTA活動則恢復(fù)了SD小鼠的社交新奇偏好。并且，作者最后利用自閉癥小鼠模型，進(jìn)一步證明，青春期的睡眠修復(fù)能夠拯救自閉癥小鼠的社交缺陷，青少年時期的非快速眼動睡眠在社交新奇偏好的發(fā)展中起著關(guān)鍵作用，而快速眼動睡眠在其中的作用可有可無。綜上所述，該研究為早期干預(yù)非快速眼動睡眠和/或非快速眼動睡眠特定環(huán)路作為改善或預(yù)防神經(jīng)發(fā)育障礙相關(guān)的社交癥狀進(jìn)展的潛在應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

研究方法亮點(diǎn)

這項(xiàng)工作闡述了青春期SD誘導(dǎo)成年后社交新奇偏好受損的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制。研究用到了睡眠剝奪、腦電肌電記錄、行為學(xué)評估、光纖記錄、光遺傳學(xué)、腦立體定位注射以及免疫組化等實(shí)驗(yàn)技術(shù)。瑞沃德深耕生命科學(xué)研究領(lǐng)域20年，一直致力于為客戶提供可信賴的解決方案和服務(wù)，可提供該研究中涉及的睡眠剝奪、腦電肌電記錄、行為學(xué)評估、光纖記錄、光遺傳學(xué)、腦立體定位注射以及免疫組化等實(shí)驗(yàn)的完整解決方案。截至目前，瑞沃德產(chǎn)品及服務(wù)覆蓋海內(nèi)外 100 多個國家和地區(qū)，客戶涵蓋全球700+醫(yī)院，1000+科研院所，6000+高等院校，已助力全球科研人員發(fā)表SCI文章14500+，獲得行業(yè)廣泛認(rèn)可。

原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41593-022-01076-8