Cell：这个环路对快速动眼睡眠至关重要，还与帕金森疾病密切相关

脑干神经元异质性使REM睡眠回路的研究充满挑战。近日， Yu Hayashi 等人的研究显示，小鼠中SubLDT（sublaterodorsal tegmentum）的Crhbp+神经元投射至髓质，促进REM睡眠，而Nos1+神经元反向投射至SubLDT，形成正反馈循环。帕金森病患者中CRHBP神经元减少，含病理α-核苷酸，揭示REM睡眠缺陷机制。

他们的成果发表在最新一期的Cell杂志上，名为 “A pontine-medullary loop crucial for REM sleep and its deficit in Parkinson’s disease”

哺乳动物睡眠分为快速眼动睡眠（REMS）和非快速眼动睡眠（NREMS）。Pontine tegmentum和sublaterodorsal nucleus（SLD）是REMS调节的关键区域，SLD中谷氨酸能神经元高度异质。REMS由分散的神经元网络控制，桥状区域损伤会导致REMS丧失。RBD与帕金森病密切相关，研究SLD中调控REMS的神经元对理解睡眠障碍至关重要。

1. Crhbp-Cre小鼠的生成

在SLD区域，REMS期间活跃的谷氨酸能神经元主要位于SubLDT。根据作者的转录组分析，作者聚焦于Crhbp。原位杂交显示Crhbp在SubLDT中显著表达，并在laterodorsal tegmental nucleus （LDT）和 ventral tegmental nucleus（VT）中有较弱表达（图1A）。通过生成Crhbp-Cre敲除小鼠，结合Cre依赖性报告小鼠，在SubLDT观察到GFP信号（图1B），并重现了内源性Crhbp的表达模式，表明这些神经元要么是GABAergic 要么是 glutamatergic.（图1B–1D）。

图1切除Crhbp+S、L、V神经元导致REMS和NREMS减少，同时影响REM睡眠期间的肌肉无力现象。

2. 在REMS期间，Crhbp+S、L、V神经元的切除会减少睡眠并损害肌肉张力

为研究Crhbp+神经元在睡眠调节中的作用，作者消除了SubLDT、LDT和VT区域的Crhbp+神经元（图1E-K）。这导致REMS和NREMS时间减少，觉醒时间增加，并在REMS期间增强肌肉萎缩（图1I-K）。谷氨酸能Crhbp+神经元在REMS和NREMS的调节中起重要作用。作者进一步证实了REMS期间Crhbp+SubLDT神经元的部分激活。

3. Crhbp+SubLDT神经元的投射目标

作者研究了Crhbp+SubLDT神经元的轴突投射模式（图2）。在Crhbp-Cre小鼠的SubLDT中，作者注射了表达GFP的Cre依赖性突触素融合蛋白（图2A和2B）。结果显示，GFP多个区域都有分布（图2C-2G）。

图2 Crhbp+SubLDT神经元的投射目标

4. Crhbp+SubLDT→Gi神经元促进REMS

作者测试了Crhbp+SubLDT神经元在不同状态下的作用，重点研究其对Gi（gigantocellular reticular nucleus。）投射神经元的影响。通过操控Crhbp+SubLDT→Gi神经元（图3A、3B），发现这些神经元的激活在光期和暗期都增加了REMS，并且在光期还加深了REMS期间的肌肉无力。进一步检测，这些神经元在REMS期间的活动达到最大（图3G、3H），并在睡眠-清醒过渡时显示显著变化（图3I）。作者推测，这些神经元可能对限制清醒有重要作用，未来需进一步研究其在单细胞分辨率下的活动（图3）。

图3 Crhbp+SubLDT→Gi神经元促进REMS

5. Crhbp+SubLDT→BF神经元促进NREMS

作者研究了投射到 basal forebrain（BF）的Crhbp+SubLDT神经元的功能。大多数这些神经元为GABA能神经元，并在清醒时最为活跃（图4A-4J）。通过化学遗传激活这些神经元，NREMS增加，清醒和REMS减少（图4C-4D）。此外，Crhbp+SubLDT→BF和Crhbp+SubLDT→Gi神经元为不同的神经元群，说明这些神经元通过不同的投射模式调控睡眠状态。

图4 Crhbp+SubLDT→BF神经元促进NREMS

6. CamkIIa+DPGi，Pr神经元通过投射到SubLDT促进REMS

为探讨REMS中Crhbp+SubLDT→Gi神经元的上游调控，作者采用RV追踪法（图5）。在Crhbp-Cre小鼠的SubLDT中注射AAV载体（图5A、B）。结果发现，多个与REMS相关的脑区（如dDpMe、LPGi、DPGi和Pr，图5C）存在GFP阳性神经元。进一步实验显示，CamkIIa+DPGi、Pr神经元的光遗传抑制减少了REMS时间，而其化学遗传激活则增加了REMS，表明这些神经元通过投射至SubLDT显著调控REMS。

图5CamkIIa+DPGi，Pr神经元通过投射到SubLDT来促进REMS

7. Nos1+DPGi，Pr神经元大力促进REMS，并向涉及REMS的多个领域投射

作者研究了Nos1在DPGi/Pr区域的作用。通过在Nos1-Cre小鼠中注射AAV标记，发现Nos1+神经元与CamkIIa+神经元重叠，主要为谷氨酸能或GABA能，并投射至Crhbp+ SubLDT→Gi神经元。化学遗传激活Nos1+神经元增加了REMS（图6C、D），而抑制则减少REMS并延长NREMS。这些神经元的轴突投射至SubLDT及多个丘脑区域，构成REMS诱导的关键回路（图6L、6M）。

图6 Nos1+DPGi，Pr神经元强烈促进REMS，并投射到SubLDT 以及thalamus 和medial septum

8. RBD患者CRHBP-IR神经元的选择性丧失

作者探讨了帕金森病（PD）患者的睡眠障碍，尤其是RBD的神经机制。研究显示，PD患者SubLDT区域的CRHBP阳性神经元数量显著减少（图7A、B），与小鼠模型的表型一致。此外，人工激活Crhbp+SubLDT→Gi神经元可改善PD小鼠的睡眠缺陷，表明这些神经元在治疗PD相关睡眠问题中具有潜在作用，并为未来治疗提供了新方向。

图7人类PD患者RHBD患者CRHBP-IR神经元的选择性损失

总结

尽管SLD在REMS调节中起关键作用，但其具体机制仍不清楚。研究识别了Crhbp+SubLDT→Gi和Nos1+DPGi, Pr神经元作为REMS的关键因子，并推测它们在调节前脑活动和肌肉无动症中发挥重要作用。在PD患者中，SubLDT中的CRHBP-IR神经元减少，提示其与PD早期发展相关，未来研究需进一步验证这些发现。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.046

参考文献

Kashiwagi M, Beck G, Kanuka M, Arai Y, Tanaka K, Tatsuzawa C, Koga Y, Saito YC, Takagi M, Oishi Y, Sakaguchi M, Baba K, Ikuno M, Yamakado H, Takahashi R, Yanagisawa M, Murayama S, Sakurai T, Sakai K, Nakagawa Y, Watanabe M, Mochizuki H, Hayashi Y. A pontine-medullary loop crucial for REM sleep and its deficit in Parkinson's disease. Cell. 2024 Sep 17:S0092-8674(24)00975-9. doi: 10.1016/j.cell.2024.08.046. Epub ahead of print. PMID: 39303715.

编译作者：Ayden（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）