基底前脑区睡眠神经元的特异分子标记和神经环路

Sleep-wake behavior is a universally observed phenomenon in many species, however it is still unclear how this process is regulated by the central nervous system. Understanding the neural mechanisms involved in sleep-wake regulation is critical not only for revealing the brain control mechanisms of this innate behavior, but also the efficient therapy of various sleep disorders. Here we proposed to study the neural control of sleep by examining the unique circuits underlying sleep-active neurons in the mice basal forebrain (BF). First, we proposed to identify a specific genetic marker of BF sleep neurons by applying single cell transcriptome analysis to BF somatostatin positive GABAergic neurons (SOM+), which was one of the two reported cell types containing sleep-active neurons revealed by single cell recordings. Then, we will utilize high-throughput in vivo calcium imaging and optogenetic method to confirm the specificity of identified genetic markers. Finally, virus mediated whole-brain anatomy analysis will be performed to reveal the local and long-range input-output organization of the unique neural circuits associated with BF sleep neurons. Taken together, the proposed research may substantially improve our understanding of the sleep regulating circuits, thus contribute to revealing the neural basis of sleep.

睡眠-觉醒行为是在许多物种中普遍观察到的生理现象，然而目前我们尚不清楚这一过程如何被中枢神经系统所调节。了解睡眠/觉醒调节的神经环路，不仅是揭示这种先天行为大脑控制机制的关键，而且对有效治疗各种睡眠障碍也是至关重要的。在当前研究中，我们拟通过检查小鼠基底前脑区（BF）睡眠活跃神经元独特的神经环路来研究睡眠的神经控制。首先，我们将采用单细胞转录组分析技术筛选BF生长抑素阳性GABA能神经元中睡眠神经元独特的遗传标记，这类神经元是当前已知该脑区中唯一包含睡眠激活神经元的细胞类型。然后，我们将利用高通量在体钙成像技术和光遗传学方法来确定筛选到遗传标记的特异性。最后，我们将利用上述遗传学标记，结合病毒介导的全脑解剖分析来揭示BF睡眠神经元相关的局部和长程神经环路。综上所述，该研究可以在很大程度上加深我们对睡眠调节环路的理解，从而有助于最终揭示睡眠控制的神经生物学基础。

睡眠是动物界普遍存在的一种行为，然而中枢神经系统调控睡眠-觉醒行为的机制却尚未完全明确，这也是临床上大量睡眠障碍相关疾病缺乏特效治疗方法的重要原因。在当前研究中，我们深入解析了小鼠基底前脑调控睡眠-觉醒行为的机制。首先，我们在前期揭示基底前脑睡眠神经元分子和受体特征的基础上，筛选了两个基因并制备转基因小鼠。然而后续在体动物实验表明，这些转基因小鼠对睡眠神经元的标记缺乏特异性，说明该研究策略具有一定的局限性。其次，我们研究了基底前脑神经活动对睡眠稳态的调控，尤其是系统地解析了睡眠稳态重要调控因子—腺苷积累的神经机制。利用新型腺苷探针，结合光纤记录、光遗传激活和细胞类型特异的损毁技术，我们发现基底前脑谷氨酸能神经元在控制腺苷积累和睡眠稳态中发挥了关键作用。该工作是首次发现神经活动调控睡眠稳态的机制，为发展睡眠障碍治疗的新方法提供了重要参考，相关成果于2020年发表于Science。最后，我们还研究了基底前脑星形胶质细胞在睡眠-觉醒调控中的作用和机制。研究发现，星形胶质细胞活动可双向调节睡眠-觉醒行为，并且该过程并不依赖于经典认为的腺苷通路。该研究揭示了星形胶质细胞调控睡眠-觉醒行为的新机制，相关成果于2023年发表于Cell Discovery。以上研究揭示了基底前脑调控睡眠-觉醒行为的神经机制，所取得的研究成果不仅丰富了我们对睡眠-觉醒调控神经机制的理解，还修订和拓展了已有理论，并在此基础上切实推动了睡眠-觉醒调控新理论的发展。