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(dāng)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(jīng)科學(xué)家。 近日，來自美國南加州大學(xué)張礪和陶慧中教授團隊在Current Biology上發(fā)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(xiàn)象，并揭示了大腦中腦喬中央灰質(zhì)（Pontine central gray, PCG）在聲音誘導(dǎo)覺醒過程中的關(guān)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(yīng)機制，還表明PCG在調(diào)節(jié)正常的睡眠-覺醒周期中也扮演著重要角色。該發(fā)現(xiàn)為理解和治療睡眠障礙提供了新的研究方向。 聽覺系統(tǒng)在睡眠期間起著關(guān)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(zé)聲音引發(fā)覺醒的神經(jīng)回路仍不清楚。中樞聽覺系統(tǒng)由兩條主要的上行通路組成。（1）經(jīng)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(nèi)側(cè)膝狀核（MGB），最后到達聽覺皮層（AC），在此處形成聽覺感知。（2）網(wǎng)狀-邊緣通路，聽覺信息從CN，經(jīng)過腦橋網(wǎng)狀核（PRN）、腦橋中央灰質(zhì)（PCG）、內(nèi)側(cè)隔區(qū)（MS），最終到達內(nèi)嗅皮層和海馬。 該通路與聲音感知無關(guān)，更多地與情緒、覺醒、注意力和記憶相關(guān)，且在處理情感上具有顯著意義的聲音（如大噪音）中發(fā)揮重要作用。腦橋中央灰質(zhì)（PCG），作為腦橋背側(cè)的一個顯著結(jié)構(gòu)，已被確定為該通路中的關(guān)鍵節(jié)點。它還被認為是上行網(wǎng)狀激活系統(tǒng)（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(fā)揮著重要作用。值得注意的是，PCG 對多感官刺激有反應(yīng)，并將感覺輸入傳遞到基底前腦的內(nèi)側(cè)隔區(qū)，后者參與調(diào)節(jié)皮層腦電圖（EEG）和覺醒狀態(tài)。這些證據(jù)表明，PCG 的活動與警覺狀態(tài)之間存在聯(lián)系提出了一個可能性，即 PCG 及其下游靶點在聲音引發(fā)的覺醒中發(fā)揮重要作用。 首先，作者測試了PCG在聲音引發(fā)覺醒中起作用，通過同時記錄腦電圖（EEG）和肌電圖（EMG），監(jiān)測自由活動的小鼠的睡眠/覺醒狀態(tài) (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(dǎo)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(diào)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(fā)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(jīng)元對噪音基本沒有反應(yīng) (Xiao et al., 2023, Neuron)，這里作者探究了PCG谷氨酸能神經(jīng)元在噪音刺激下引發(fā)覺醒中的作用。通過雙側(cè)注射AAV-DIO-ArchT到Vglut2-Cre小鼠的PCG中，利用光遺傳學(xué)抑制這些神經(jīng)元的活動。與對照相比（GFP），抑制PCG谷氨酸能神經(jīng)元顯著降低了噪音引發(fā)的覺醒概率，而REM睡眠引發(fā)的覺醒未受明顯影響。這些結(jié)果表明，PCG的谷氨酸能神經(jīng)元在聲音引發(fā)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(jīng)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(tài)下，光刺激使ChR2表達的小鼠迅速轉(zhuǎn)為清醒狀態(tài)，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(jīng)元的活動是否與自然的睡眠/覺醒狀態(tài)相關(guān)，在自由活動的小鼠中進行光纖成像記錄。結(jié)果顯示谷氨酸能神經(jīng)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(jīng)元進行了光電極記錄，結(jié)果顯示在清醒時的自發(fā)放電率高于睡眠，在REM期的放電率高于NREM期，這與鈣成像結(jié)果一致。這表明PCG谷氨酸能神經(jīng)元的活動受到睡眠/覺醒狀態(tài)的動態(tài)調(diào)節(jié)。 此外，作者還研究了PCG谷氨酸能神經(jīng)元在不同睡眠/覺醒狀態(tài)下的聽覺反應(yīng)。誘發(fā)放電率與自發(fā)放電率呈相反趨勢，即在清醒時的聲音誘發(fā)的放電率低于在NREM時的放電率。PCG谷氨酸能神經(jīng)元在睡眠期間整體增強的聽覺反應(yīng)性可能有助于它們在促進聲音引發(fā)覺醒中的功能作用。通過化學(xué)遺傳學(xué)抑制PCG谷氨酸能神經(jīng)元導(dǎo)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(jīng)元的活動在正常生理條件下有助于維持清醒狀態(tài)。 最后，作者研究了哪些下游投射可能在PCG介導(dǎo)的覺醒促進中發(fā)揮作用。為此，對PCG谷氨酸能神經(jīng)元在五個主要靶區(qū)域（MD、VTA、LHA、LPO和PVT）的ChR2表達軸突末端進行了光刺激。數(shù)據(jù)表明，PCG谷氨酸能神經(jīng)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(guān)大腦網(wǎng)絡(luò)中的重要作用，以及其在介導(dǎo)由聲音引發(fā)的快速覺醒中的關(guān)鍵角色。通過這個由PCG介導(dǎo)的上行警覺系統(tǒng)，外部感官事件可以迅速影響覺醒狀態(tài)以及內(nèi)部調(diào)控的睡眠。