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2020年1月24日，《Science》發(fā)表了著名神經科學家丹楊的一篇研究。該研究發(fā)現，大腦基底核黑質內存在一種抑制性神經元，這種神經元同時掌控著小鼠的睡眠和運動抑制。 睡眠和運動睡眠是一個周而復始的圈。 睡眠是一個循環(huán)，包括兩個階段：非快速眼動睡眠和快速眼動睡眠 睡眠的圈起始于非快速眼動睡眠(NREM,Non-rapid eye movement sleep）。非快速眼動睡眠階段由淺入深，依次經歷淺睡眠、中度睡眠和深度睡眠，最終到達睡眠的另一個階段：快速眼動睡眠。 非快速眼動階段，尤其是快速眼動階段，骨骼肌被不同程度地抑制著，相應的，運動也被抑制著。 睡眠和運動抑制的同步發(fā)生，讓科學家意識到，也許兩者有著共用的神經環(huán)路。科學家將目光聚焦到大腦基底核黑質網狀部（SNr，substantia nigra pars reticulata），SNr內有一群抑制性神經元，它們可以強烈抑制運動，同時伸出軸突到大腦覺醒相關的腦區(qū)。 為了驗證這一結論，科學家首先觀測了小鼠自然情景下睡眠和運動之間的狀態(tài)切換。 自然狀態(tài)下小鼠睡眠和運動狀態(tài)的切換通過腦電、肌電以及錄像數據，科學家將小鼠的狀態(tài)歸為四類：移動、非移動性運動（比如吃東西、梳理毛發(fā)、姿勢調整等）、安靜的清醒狀態(tài)、睡眠。這四種狀態(tài)的運動量依次減少。 依據腦電、肌電和錄像，小鼠的狀態(tài)可分為四種 自然情況下，小鼠的狀態(tài)轉變通常在相鄰狀態(tài)之間進行。例如，從移動到梳理毛發(fā)，從梳理毛發(fā)到安靜，從安靜到睡眠。而移動到睡眠，非移動運動到睡眠的狀態(tài)切換從來不會發(fā)生。從運動到睡眠，中間需要一個安靜的睡眠準備階段。 黑質網狀部GAD2神經元抑制運動，起始睡眠黑質是大腦底部的一個核團，屬于中腦，同時也是基底核的一部分。 人腦中的黑質 黑質內神經元富含有黑色素（主要是黑質致密部的神經元），在腦切片上呈黑色，因此而得名。 小鼠黑質 黑質網狀部是黑質的一個亞區(qū)，其內神經元較為稀疏，顏色也淺。 黑質網狀部（Substantia Nigra Pars Reticulata） 黑質網狀部內的神經元生成和分泌一種抑制性神經遞質GABA（γ-胺基丁酸，γ-Aminobutyric acid），可抑制下游神經元放電。黑質網狀部的GABA能神經元中，有一種亞類，表達谷氨酸脫羧酶2（GAD2）。在空間上，這類GABA神經元位于黑質網狀部內側。 GAD2神經元位于黑質網狀部內側（紅色） 當小鼠從一個運動量大的狀態(tài)轉變到運動量小的狀態(tài)時，GAD2神經元放電增加。例如，在運動終止時，在睡眠起始時。 運動終止和睡眠起始時，GAD2神經元放電頻率增高 很有可能，GAD2神經元可以抑制運動，起始NREM睡眠。為了驗證這一假想，科學家在GAD2神經元內表達了一種光遺傳蛋白CHR2。CHR2對藍光敏感，它本身也是一種離子通道，當藍光照耀時，離子通道打開，正離子內流，引起神經元放電。 同時激活左右半球的黑質網狀部GAD2神經元，會顯著地減少小鼠的運動，這跟以往的研究結果一致。新穎的結果是，激活GAD2神經元，可大大增加睡眠的起始次數。 藍光照射期間，小鼠運動減少（LM和MV），睡眠增加（SL） 請看更直觀的動圖： 藍光（左上藍色圓）激活黑質GAD2神經元后不久，小鼠開始睡眠（SL）。 有趣的是，即使GAD2神經元的激活可以增加小鼠的NREM睡眠起始，但這些睡眠都是從安靜狀態(tài)轉變而來。GAD2神經元的激活并不能讓運動中的小鼠直接睡去，只會讓小鼠進入運動量更少的相近狀態(tài)。例如，從來回跑動到停下來梳理毛發(fā)，從梳理毛發(fā)到安靜不動，然后才能進入睡眠。 相反，激光抑制黑質網狀部GAD2神經元的放電，則會顯著增加小鼠運動，減少睡眠。
激光抑制黑質網狀部GAD2神經元期間，小鼠運動增加（LM和MV），睡眠減少（SL） 以上證據表明，黑質網狀部GAD2抑制性神經元既能抑制運動，又能起始睡眠。 一個GAD2神經元通過軸突分支可實現同時抑制運動和起始睡眠黑質網狀部GAD2神經元不僅放出軸突到運動控制腦區(qū)，例如運動丘腦、上丘運動層、中腦運動區(qū)等，同時還投射到調節(jié)大腦狀態(tài)的腦區(qū)，如中縫背核、藍斑核、腹側被蓋區(qū)等。這是GAD2神經元行使功能的結構基礎。GAD2神經元可通過抑制運動腦區(qū)，抑制大腦覺醒中心，分別來終止運動、起始睡眠。
黑質網狀部GAD2神經元投射廣泛，即包括運動腦區(qū)，又包括調整大腦狀態(tài)的覺醒中心 GAD2神經元向兩群功能腦區(qū)投射方式可能有兩種，其一，一部分GAD2神經元投向運動腦區(qū)，另一部分投向覺醒中心；其二，同一個神經元的軸突分叉，一支伸向運動腦區(qū)，另一支伸向覺醒中心。
神經元軸突可分支（Collateral） 為了弄清GAD2神經元采用哪種投射方式，科學家將一種特殊的逆標病毒注射進轉基因小鼠的運動丘腦，這種方法可分離出投射至運動丘腦的GAD2黑質網狀部神經元，使其通體表達熒光蛋白。如果投射至運動丘腦和覺醒中心的GAD2神經元是兩撥不同的神經元，那么，覺醒中心就不應該看到熒光。 實驗結果卻恰恰相反。在其他運動腦區(qū)自己覺醒中樞，都觀察到大量帶熒光的神經纖維。這就說明，一個GAD2神經元既可以投射至運動腦區(qū)，同時也可以投射至覺醒中心，其方式是軸突分支。
軸突投射至運動丘腦的GAD2神經元，也向覺醒中心藍斑核（LC）中縫背核（DR）等伸出軸突 總結帕金森癥識影響運動系統(tǒng)的神經退化疾病，它最廣為人知的癥狀是顫抖，一種常見的緩解方法是深度腦刺激。電流刺激大腦深處的基底核，不但抑制了病人的顫抖，還大大改善了患者的睡眠。但這一巧合長久以來并沒有得到合理的解釋。
基底核 而丹楊的這篇研究，解釋了這一現象。 位于基底核的黑質網狀部，含有一類GAD2抑制性神經元。它們長長的軸突中途分叉，一支伸向運動腦區(qū)，一支伸向大腦狀態(tài)調節(jié)中心。深度腦刺激電流激活這類神經元，可以實現抑制運動、促進睡眠的雙重作用。 |
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