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11月18日，中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心（神經科學研究所）劉丹倩研究組在Nature Neuroscience上，在線發(fā)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(guī)模寬場熒光鈣成像技術，研究發(fā)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(qū)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(fā)現并定義。他在記錄兒子睡眠時發(fā)現了一種重復出現的睡眠狀態(tài)——眼部肌肉高度活躍，后續(xù)證實了這是一種特殊的睡眠狀態(tài)，伴隨著腦電活動低頻高幅的活躍態(tài)、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(fā)現多年后，為什么在大腦皮層高度活躍的狀態(tài)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(tài)下的大腦皮層活動以及調控機制對解析神經系統(tǒng)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(qū)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(guī)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(jiān)測（圖A）。該研究首先發(fā)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(qū)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(fā)現REM睡眠中大腦皮層有豐富的跨腦區(qū)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(fā)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(fā)現，除了間歇性的快速眼動外，還有持續(xù)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(jiān)督聚類，研究發(fā)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(tǒng)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(fā)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(huán)系統(tǒng)在REM睡眠對RSC活動進行特異性抑制發(fā)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(guī)律，系統(tǒng)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(fā)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。
（A）雙通道寬場熒光成像示意圖（上）；十一個功能模塊REM睡眠與清醒狀態(tài)活動差異（下）。（B）REM睡眠的三種主要鈣波（左）；REM睡眠中從RSC起始的鈣波活動示意圖，其中箭頭粗細代表RSC與目標區(qū)域間鈣活動的格蘭杰因果關系值。（C）通過雙光子成像得到RSC L2/3神經元活動并通過k-means聚類分成兩種類型，圖為一段REM睡眠中兩類RSC神經元鈣活動情況。（D）通過紅外相機采集到REM睡眠中小鼠的面部視頻（左上），其中小鼠眼睛、胡須和咀嚼肌位置的臉頰在REM睡眠后期有豐富的運動（右上）。下：利用HOG算法劃分REM睡眠亞狀態(tài)——qREM和aREM。（E）RSC L2/3兩類神經元在REM睡眠亞狀態(tài)qREM到aREM過程中的鈣信號變化（數據處理將qREM和aREM長度標準化到1）。（F）閉環(huán)光遺傳實驗示意圖（上）。在REM睡眠中特異性抑制RSC興奮性神經元阻斷了qREM到aREM的轉換以及aREM的維持（下）。
