來源：生物探索 大腦如何在睡眠時快速察覺外界危險信號？當突如其來的聲音或危險信號來臨時，動物為什么能在幾乎瞬間從睡眠中醒來？這個問題長期困擾著神經科學家。 近日，來自美國南加州大學張礪和陶慧中教授團隊在Current Biology上發表題為 A distributed auditory network mediated by pontine central gray underlies ultra-fast awakening in response to alerting sounds 的一項最新研究深入探討了這個現象，并揭示了大腦中腦喬中央灰質（Pontine central gray, PCG）在聲音誘導覺醒過程中的關鍵作用。這項研究不僅揭示了大腦在危險情況下的快速反應機制，還表明PCG在調節正常的睡眠-覺醒周期中也扮演著重要角色。該發現為理解和治療睡眠障礙提供了新的研究方向。 聽覺系統在睡眠期間起著關鍵的守護作用，提醒動物潛在的危險（如接近的捕食者），并促進快速覺醒。然而，負責聲音引發覺醒的神經回路仍不清楚。中樞聽覺系統由兩條主要的上行通路組成。（1）經典聽覺通路，聽覺信息從耳蝸核（CN）傳遞到腦干的各種聽覺核團，再到丘腦的內側膝狀核（MGB），最后到達聽覺皮層（AC），在此處形成聽覺感知。（2）網狀-邊緣通路，聽覺信息從CN，經過腦橋網狀核（PRN）、腦橋中央灰質（PCG）、內側隔區（MS），最終到達內嗅皮層和海馬。 該通路與聲音感知無關，更多地與情緒、覺醒、注意力和記憶相關，且在處理情感上具有顯著意義的聲音（如大噪音）中發揮重要作用。腦橋中央灰質（PCG），作為腦橋背側的一個顯著結構，已被確定為該通路中的關鍵節點。它還被認為是上行網狀激活系統（ARAS）的主要組成部分，ARAS在維持覺醒和整合多感官信息方面發揮著重要作用。值得注意的是，PCG 對多感官刺激有反應，并將感覺輸入傳遞到基底前腦的內側隔區，后者參與調節皮層腦電圖（EEG）和覺醒狀態。這些證據表明，PCG 的活動與警覺狀態之間存在聯系提出了一個可能性，即 PCG 及其下游靶點在聲音引發的覺醒中發揮重要作用。 首先，作者測試了PCG在聲音引發覺醒中起作用，通過同時記錄腦電圖（EEG）和肌電圖（EMG），監測自由活動的小鼠的睡眠/覺醒狀態 (Fig. 1A)。實驗中，小鼠被間歇性地暴露在不同聲音強度刺激，聽覺刺激可導致小鼠從非快速眼動睡眠（NREM）和快速眼動睡眠（REM）中快速覺醒，隨著聲音強度的增加，覺醒的概率呈單調增加的趨勢 (Fig. 1B-1C)。與對照組相比，PCG靜默（局部注射毒蕈堿，Muscimol）顯著降低了從NREM睡眠中引發覺醒的概率，但對REM睡眠沒有明顯影響。 先前的文章報道，PCG的GABA能神經元對噪音基本沒有反應 (Xiao et al., 2023, Neuron)，這里作者探究了PCG谷氨酸能神經元在噪音刺激下引發覺醒中的作用。通過雙側注射AAV-DIO-ArchT到Vglut2-Cre小鼠的PCG中，利用光遺傳學抑制這些神經元的活動。與對照相比（GFP），抑制PCG谷氨酸能神經元顯著降低了噪音引發的覺醒概率，而REM睡眠引發的覺醒未受明顯影響。這些結果表明，PCG的谷氨酸能神經元在聲音引發的NREM睡眠覺醒中起著重要作用。接下來作者通過直接激活PCG谷氨酸能神經元測試對睡眠的影響，向Vglut2-Cre小鼠的PCG注射Cre依賴的ChR2。在NREM和REM睡眠狀態下，光刺激使ChR2表達的小鼠迅速轉為清醒狀態，而對照組（eYFP）小鼠則沒有這種效果。REM睡眠到清醒的延遲明顯比NREM睡眠時間長。 作者進一步研究了PCG谷氨酸能神經元的活動是否與自然的睡眠/覺醒狀態相關，在自由活動的小鼠中進行光纖成像記錄。結果顯示谷氨酸能神經元的整體鈣離子活動在清醒時高于睡眠期間， REM期高于NREM期。對ChR2標記的PCG谷氨酸能神經元進行了光電極記錄，結果顯示在清醒時的自發放電率高于睡眠，在REM期的放電率高于NREM期，這與鈣成像結果一致。這表明PCG谷氨酸能神經元的活動受到睡眠/覺醒狀態的動態調節。 此外，作者還研究了PCG谷氨酸能神經元在不同睡眠/覺醒狀態下的聽覺反應。誘發放電率與自發放電率呈相反趨勢，即在清醒時的聲音誘發的放電率低于在NREM時的放電率。PCG谷氨酸能神經元在睡眠期間整體增強的聽覺反應性可能有助于它們在促進聲音引發覺醒中的功能作用。通過化學遺傳學抑制PCG谷氨酸能神經元導致小鼠的清醒時間顯著減少，而NREM時間顯著增加。因此，PCG谷氨酸能神經元的活動在正常生理條件下有助于維持清醒狀態。 最后，作者研究了哪些下游投射可能在PCG介導的覺醒促進中發揮作用。為此，對PCG谷氨酸能神經元在五個主要靶區域（MD、VTA、LHA、LPO和PVT）的ChR2表達軸突末端進行了光刺激。數據表明，PCG谷氨酸能神經元主要通過向MD、LHA和VTA的投射來促進覺醒。 綜上所述，該研究闡明了PCG在傳遞警覺性聽覺信號到全局覺醒相關大腦網絡中的重要作用，以及其在介導由聲音引發的快速覺醒中的關鍵角色。通過這個由PCG介導的上行警覺系統，外部感官事件可以迅速影響覺醒狀態以及內部調控的睡眠。