Science:全程监控神经元分析大脑如何入睡和清醒
2017/06/27
维也纳分子病理学研究所的科学家们检测了线虫大脑中的所有神经细胞在睡着和醒来的活动,在6月23日的Nature上发表了开创性的成果。他们的研究结果表明睡眠是大脑的默认基态。


维也纳分子病理学研究所的科学家们利用线虫来研究睡眠的基础内容,他们检测了大脑中的所有神经细胞在睡着和醒来的活动,在6月23日的Science上发表了开创性的成果。

睡眠是动物的一个普遍特征:每个神经系统似乎都有规律地经历并要求放松状态,在这种状态下大脑的活动发生了剧烈的变化。睡眠是至关重要的,正如我们在日常生活中所经历的那样,但科学家们仍在争论为什么会这样。

在维也纳分子病理学研究所,由神经生物学家Manuel Zimmer领导的团队用秀丽隐杆线虫研究了大脑如何清醒和睡眠之间转换。他们的研究结果表明,在疲劳的动物中,睡眠是一个只要强大的外部环境刺激不存在,大脑就能自发地建立自己的基本状态。

线虫作为睡眠研究的模型

目前可以观测到类似睡眠状态的最原始生物是线虫。线虫被选为睡眠研究的模型,还因为它的神经系统只有302个神经元。这小得足够能以高级显微镜的方法,在单细胞的精度访问大脑中所有神经细胞的活动。这是监测大脑在清醒和睡眠之间时,获得新见解的关键。

科学家面临的另一个挑战是控制线虫何时入睡和醒来。博士生Annika Nichols和Tomáš Eichler建立了一个有趣的实验系统,用可变氧浓度作为一个开关。线虫生活在土壤中,在它们的自然栖息地,充足的微生物使氧气含量保持在低水平。研究人员发现,在这些条件下,如果它们感到疲劳的话,它们会感到很舒适,可以入睡。Nichols和Eichler发现,大气浓度氧含量的新鲜空气对睡着的动物是个警报,能使它们很快醒来。Nichols说:“这打开了一扇门,以便在我们的实验中有效地改变睡眠状态和清醒状态。”

疲劳的神经测量器

Nichols继续记录当触发睡眠和清醒之间转换的大脑中所有神经元的活动。她发现,在睡眠中,大多数在清醒时活跃的神经细胞变得沉默。然而,一些特定类型的神经细胞保持警觉。这些类型之一,被称为RIS,先前的研究显示它通过分泌睡眠物质促进睡眠。Nichols的发现表明:在清醒的、有入睡倾向的动物中,RIS活性已经升高,暗示它是衡量大脑疲劳程度的指标。


睡眠作为大脑的默认基态

当监测到睡眠时大脑的活动时,Nichols发现了一个有趣的发现:她的计算机分析表明,神经元网络活动自发地汇集到一个安静和稳定的状态。最初,研究人员认为RIS的细胞会迫使神经系统平静,就像一个指挥家让乐队在最后一个和弦后沉默。然而,新的数据表明RIS似乎更像是一个调解人,在所有参与者之间协议采取一致行动。这种情况的好处是,清醒和睡眠之间的急剧性变化可以通过巧妙地改变大脑的某些调节“旋钮”来触发。

尽管线虫大脑和人脑之间存在着许多差异,但这些结果为研究脑组织的基本原理提供了一个很有前途的模型。

参考资料

A global brain state underlies C. elegans sleep behavior

How brains surrender to sleep

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  • A global brain state underlies C. elegans sleep behavior

    How the brain effectively switches between and maintains global states, such as sleep and wakefulness, is not yet understood. We used brainwide functional imaging at single-cell resolution to show that during the developmental stage of lethargus, the Caenorhabditis elegans brain is predisposed to global quiescence, characterized by systemic down-regulation of neuronal activity. Only a few specific neurons are exempt from this effect. In the absence of external arousing cues, this quiescent brain state arises by the convergence of neuronal activities toward a fixed-point attractor embedded in an otherwise dynamic neural state space. We observed efficient spontaneous and sensory-evoked exits from quiescence. Our data support the hypothesis that during global states such as sleep, neuronal networks are drawn to a baseline mode and can be effectively reactivated by signaling from arousing circuits.

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