Ідентифікація популяції нейронів кори головного мозку з активним сном PNAS

  • Знайдіть цього автора на Google Scholar
  • Знайдіть цього автора на PubMed
  • Шукайте цього автора на цьому сайті
  • Для листування: [email protected]

Відредаговано Сачо Б. Нельсоном, Університет Брандейса, штат Уолтем, штат Массачусетс, та прийнято Редакційною комісією 23 травня 2008 р.

головного

Анотація

Наявність повільних хвиль великої амплітуди в ЕЕГ є основною характеристикою, яка відрізняє мозкову активність під час сну від тієї, що виникає під час неспання. Незважаючи на те, що нейрони, активні в режимі сну, були ідентифіковані в інших областях мозку, нейрони, які спеціально активуються під час повільного сну, раніше не описувались в корі головного мозку. Ми виявили популяцію клітин в корі, яка активується під час сну у трьох видів ссавців. Ці кортикальні нейрони є підмножиною GABAergic інтернейронів, які експресують нейронний NOS (nNOS). Оскільки експресія Fos у цих нейронах, активних у режимі сну, nNOS-імунореактивних (nNOS-ir) паралельно змінюється в інтенсивності повільно-хвильової активності в ЕЕГ, і ці нейрони інвертуються нейромедіаторними системами, раніше залученими до контролю сну/неспання, коркові nNOS -іронні нейрони можуть бути частиною нейробіологічного субстрату, який лежить в основі гомеостатичної регуляції сну.

Добре відомо, що сон має оздоровчі властивості (1) та сприяє виконанню вивченої поведінки (2, 3); навпаки, депривація сну призводить до дефіциту когнітивних функцій та результатів (4). Наявність повільних хвиль великої амплітуди в ЕЕГ є ознакою, яка відрізняє мозкову активність під час сну від неспання. Оскільки інтенсивність повільних хвиль, виміряна в дельта-діапазоні ЕЕГ (1,0–4,0 Гц), видається гомеостатично регульованою та пропорційною до попередньої тривалості пробудження (5), передбачається, що активність повільних хвиль (SWA) пов’язана з відновлювальна функція сну та синаптичної пластичності (2, 3, 6).

Нейронна схема, що лежить в основі SWA, включає кортикоталамокортикальну петлю та взаємодію між активованим гіперполяризацією струмом катіону (Ih) та низькопороговим струмом Ca 2+ (It) у таламокортикальних нейронах (7, 8). В даний час невідомо, чи є кора головного мозку активним учасником або просто пасивним конвеєром динаміки SWA, що залежить від історії сну. Ідентифікація окремої популяції активних сну нейронів кори, таких як базальний передній мозок (BF) (9) та преоптично-передній гіпоталамус (POAH) (10–13), допомогла б розрізнити ці альтернативи.

В експериментах, проведених на трьох видах ссавців, ми виявили, що GABAergic інтернейрони, що експресують фермент нейронний NOS (nNOS), активуються як під час спонтанного сну, так і під час відновлення сну (RS) після депривації сну (SD). Частка nNOS-імунореактивних (nNOS-ir) нейронів, які активуються під час сну, корелюється з показником інтенсивності SWA, відомим як "дельта-енергія" (14, 15). Оскільки нейрони nNOS-ir активні під час сну інервуються нейромедіаторними системами, раніше залученими до контролю сну/неспання, коркові нейрони nNOS-ir можуть бути раніше нерозпізнаним типом клітин, що беруть участь у SWA, і частиною нейробіологічного субстрату, який лежить в основі гомеостатичної регуляції сну.

Результати

Експресія Фос збільшується в нейронах коркового nNOS під час РС.

Експресія Fos раніше використовувалася для ідентифікації активних сном ділянок мозку в межах POAH, зокрема, вентролатеральної (10) та медіанної (12) преоптичних областей. Ми використовували цю методологію разом із імуномаркіруванням для фенотипових маркерів для ідентифікації конкретних нейрональних популяцій, які активні під час сну у трьох видів гризунів [див. Супровідну інформацію (SI), рис. S1 для схематичного опису експериментальних протоколів]. В ході цих досліджень ми спостерігали, що популяція нейронів кори головного мозку, яка експресує nNOS, демонструє сильно підвищену експресію Fos під час РС після періоду СД. Ці "активні уві сні" нейрони nNOS-ir були інтенсивно забарвлені, як правило, мали біполярну або багатополярну форму, мали діаметр ≈ 10–15 мкм і розташовувались у всіх коркових шарах. Ці анатомічні особливості нейронів nNOS-ir (рис. 1D) дуже подібні до тих, про які повідомлялося (16, 17). Ми також спостерігали велику кількість слабо забарвлених клітин nNOS в корі. Оскільки імунозабарвлення слабо забарвлених клітин не надійно мітило клітинні процеси і, отже, не дозволяло однозначно визначити імунозабарвлені нейрони з фонового сигналу, подальший аналіз проводили лише на інтенсивно забарвлених клітинах nNOS-ir.

Як зазначено на рис. 1 та рис. S2, кількість нейронів Fos +/nNOS-ir у корі щурів значно збільшується протягом РС, періоду, як правило, пов'язаного зі зниженим неспанням, збільшенням загального часу сну (рис. 1А) та збільшення SWA під час сну з нешвидким рухом очей (NREM) (рис. 1B). Оскільки нейрони nNOS-ir знаходяться в безлічі кіркових областей та в інших областях мозку, ми оцінили регіональну варіацію експресії Fos у нейронах nNOS-ir. Подвійно мічені клітини Fos +/nNOS-ir були знайдені в декількох ділянках кори і в кількох кортикальних шарах під час RS, тоді як дуже мало клітин з подвійною міткою спостерігалося під час SD (рис. 1 C і D). 1E демонструє значне збільшення клітин Fos +/nNOS-ir у всіх обстежених ділянках кори. Частка подвійно мічених клітин також зростала під час РС у хвостатому путамені, однак, частка в цій області мозку була меншою, ніж у будь-якій дослідженій корі. Відсоток подвійно мічених клітин не відрізнявся між RS та SD в перифорнічній ділянці гіпоталамуса (рис. 1E), області, в якій розташовані активні клітини.