Nature新發(fā)布：睡眠時(shí)大腦半球間存在競爭
目前，我們對睡眠中半球間協(xié)調(diào)的研究仍然難以準(zhǔn)確地與已知的睡眠回路和機(jī)制聯(lián)系起來。
最近，Lorenz A. Fenk、Juan Luis Riquelme和Gilles Laurenta通過記錄中央須龍（或鬃獅蜥，Pogona vitticeps）的睡眠，發(fā)現(xiàn)盡管Pogona的快速眼動(dòng)（REMP）和慢波睡眠的開始和結(jié)束是雙側(cè)協(xié)調(diào)的，但在跨區(qū)域協(xié)調(diào)方面，這兩種睡眠狀態(tài)有明顯的差異。Pogona大腦的兩側(cè)存在贏者通吃的競爭，這種競爭起源于中腦，對于REMP睡眠期間的杏仁核活動(dòng)和協(xié)調(diào)具有精確的影響。他們的成果發(fā)表在最新一期的Nature雜志上名為“Interhemispheric competition during sleep”。
在哺乳動(dòng)物中，睡眠可分為快速眼動(dòng)睡眠（REM）和非快速眼動(dòng)睡眠（NREM），通過不同動(dòng)物譜系系統(tǒng)之間的比較，我們可以更好地理解睡眠的進(jìn)化、功能和機(jī)制基礎(chǔ)。
在一種日行性蜥蜴——澳洲中央須龍中，常規(guī)電生理睡眠節(jié)律的兩個(gè)階段分別是尖波波紋主導(dǎo)的局部場電位和類似清醒的更快的活動(dòng)。由于這兩個(gè)電生理睡眠階段與哺乳動(dòng)物的慢波睡眠（SW）和快速眼動(dòng)睡眠（REM）之間存在相似性，作者使用體內(nèi)電生理記錄來檢查它們中REMP信號的性質(zhì)。
REMP睡眠期間的claustrum活動(dòng)
作者使用硅探針從屏狀核（圖1a）或相鄰的前DVR進(jìn)行記錄。在睡眠期間，局部場電位(LFP)活動(dòng)在SW和REMP發(fā)作之間有規(guī)律地交替（圖1b，上圖）。
圖1. REMP活動(dòng)的特點(diǎn)是急劇的負(fù)場電位事件。
屏狀核中的REM活動(dòng)主要由急劇向下（負(fù)）的細(xì)胞外電位組成，在不規(guī)律的間隔下發(fā)生（圖1b，左下角）。這些事件稱為SN，形狀一致但振幅和事件間隔可變（IEI；圖1b，底部）。在β波段中，瞬時(shí)功率和SN率與IEI分布模式一致。因此，屏狀核中的REM活動(dòng)由SN及其IEI統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主導(dǎo)。
SN波形反映了屏狀核神經(jīng)元net-depolarizing電流的細(xì)胞外電位。這種相位場勢必須來自對屏狀核的輸入，而不僅僅是來自屏狀體單元本身和其協(xié)調(diào)特性。
睡眠期間的雙側(cè)協(xié)調(diào)
在SW和REM周期中，兩側(cè)的規(guī)則循環(huán)同步，但兩個(gè)屏狀核之間的精細(xì)協(xié)調(diào)在不同階段之間存在差異（圖2a）。在SW期間，尖波紋波在雙側(cè)不同步（圖2b），而在REM期間，每個(gè)屏狀核中的SN在另一側(cè)被精確地鏡像，且兩側(cè)之間有緊密對應(yīng)（圖2c）。盡管SN在兩側(cè)是精確協(xié)調(diào)的，但它們的出現(xiàn)時(shí)間有約20ms的延遲。領(lǐng)先的一側(cè)會從一側(cè)切換到另一側(cè)（圖2c，d），但通常不會逐個(gè)事件地切換（圖2e）。
通過比較左右兩側(cè)的屏狀核LFP（local field potential）可以預(yù)測給定時(shí)刻的領(lǐng)先側(cè)，領(lǐng)先一側(cè)往往具有主導(dǎo)β波段功率（圖2f）。此外，研究發(fā)現(xiàn)，存在雙邊競爭現(xiàn)象，其中強(qiáng)勢一方在給定時(shí)刻將其輸出強(qiáng)加于弱勢一方，暗示了一種贏家通吃的雙邊競爭。
圖2. REMPSN在左右屏狀核之間緊密協(xié)調(diào)，但SW銳波波紋不是
REM期間的雙側(cè)競爭
圖3a展示了兩個(gè)連續(xù)的REMP事件，以及第二個(gè)事件中左右LFP軌跡的三個(gè)短段，藍(lán)色框內(nèi)左側(cè)占主導(dǎo)地位，紅框內(nèi)右側(cè)占主導(dǎo)地位，黃色框內(nèi)處于競爭狀態(tài)。
競爭狀態(tài)是最不常見的，附近的REMP事件并不完全相互獨(dú)立，存在時(shí)間相關(guān)性，任何一側(cè)占主導(dǎo)地位的時(shí)間部分在整個(gè)晚上都在增加和減少。此外，如果一側(cè)在REMP周期中領(lǐng)先時(shí)間最長，則往往會在夜間最后兩到三個(gè)小時(shí)內(nèi)在許多連續(xù)的睡眠周期中這樣做（圖3d）。因此，這種在夜晚結(jié)束時(shí)持久的一側(cè)優(yōu)勢表明大腦兩側(cè)之間存在緩慢的競爭過程，其時(shí)間尺度比睡眠周期長，并且隨著夜晚的進(jìn)行而增長。
圖3. 優(yōu)勢轉(zhuǎn)換服從緩慢的動(dòng)態(tài)
在REMP期間中腦核活躍
作者沒有發(fā)現(xiàn)兩個(gè)屏狀核之間存在直接聯(lián)系的證據(jù)。但他們發(fā)現(xiàn)REMP睡眠活動(dòng)與同側(cè)屏狀體中記錄的活動(dòng)精確匹配。這些記錄位于被蓋邊緣，緊鄰頂蓋丘腦纖維束。作者認(rèn)為這可能是鳥類中大細(xì)胞核峽部(Imc)的同系物。
作者同時(shí)記錄了屏狀核（僅左側(cè)）和左側(cè)Imc（圖4e），發(fā)現(xiàn)兩者之間存在明顯的對應(yīng)關(guān)系（圖4e–g）。在RMEP期間，當(dāng)同側(cè)Imc占據(jù)優(yōu)勢地位時(shí)（圖4j），屏狀核中的瞬時(shí)功率會增加，這表明屏狀核中的競爭模式反映了Imc之間的競爭結(jié)果。
圖4. 在REMP期間，中腦核與屏狀核共同作用
雙側(cè)競爭需要IMC
為驗(yàn)證該假設(shè)，對Imc進(jìn)行了單側(cè)損傷（圖5a，b）。其影響十分明顯：受損側(cè)的Imc導(dǎo)致該側(cè)屏狀體失去了支配或主導(dǎo)的能力（圖5c），現(xiàn)在所有的REMP發(fā)作都由病變對側(cè)完整的Imc支配，這在一晚上兩個(gè)小時(shí)內(nèi)顯示為單峰屏狀體的相位滯后分布（圖5c）。相應(yīng)地，相位領(lǐng)先的屏狀屏（對側(cè)Imc的病變）也是主導(dǎo)β功率的屏狀體（藍(lán)色）。
值得注意的是，帶有單側(cè)Imc損傷的蜥蜴也表現(xiàn)出較短的REMP發(fā)作和過量的慢波睡眠，導(dǎo)致整體REMP睡眠時(shí)間減少，表明Imc在慢波睡眠和REMP之間的轉(zhuǎn)換中也起著作用。
圖5. 在REMP中，Imc是側(cè)優(yōu)勢所必需的
結(jié) 論
這份研究的數(shù)據(jù)凸顯了研究非哺乳動(dòng)物睡眠的價(jià)值。對于不同物種，比較睡眠階段、電生理波形以及大腦區(qū)域可能是困難的。因此，跨物種的匹配通常只是部分匹配。但是，通過使用詳盡且越來越精確的方法比較數(shù)據(jù)，現(xiàn)在可以更準(zhǔn)確地測試結(jié)構(gòu)同源性的假設(shè)（至少在脊椎動(dòng)物中是如此）。
這種方法應(yīng)該幫助我們確定睡眠的哪些表型和機(jī)制屬性在不同物種中是常見的，它們是如何分化或趨同的，以及它們最終是否具有相似的功能。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-05827-w
參考文獻(xiàn)
Fenk, L.A., Riquelme, J.L. & Laurent, G. Interhemispheric competition during sleep. Nature (2023).
編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）
校審：Simon（brainnews編輯部）
