研究揭示压后皮质在快速眼动睡眠期间调节亚阶段转换的作用

在《自然神经科学》杂志发表的一项研究中，中国科学院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心刘丹倩实验室的研究人员证明，选择性压后皮质激活编码和调节快速眼动(REM) ) 睡眠，揭示了 REM 睡眠期间的皮层活动模式和选择性激活的皮层区域——脾后皮层 (RSC)——发现并表征了 REM 睡眠的两个不同亚阶段，并证实 RSC 神经元活动编码和调节这两个亚阶段过渡。

REM睡眠是1951年由美国科学家Eugene Aserinsky发现并定义的，他记录了他8岁儿子睡眠时的脑电图(EEG)和眼电图(EOG)，发现了一种特殊的睡眠状态，眼球阵阵运动和高大脑激活。在随后的研究中，他证实这种状态不同于正常的梦境丰富的睡眠状态，并将其命名为REM睡眠，即Dream sleep。

REM 睡眠调节的潜在机制，包括大脑如何在具有如此高的大脑激活水平的 REM 睡眠期间控制外部感觉刺激，以及其存在的生物学意义和这种状态在大脑发育中的作用仍然难以捉摸。从进化的角度来看，快速眼动睡眠几乎与大脑皮层的进化同时出现。为此，研究快速眼动睡眠的大脑活动模式和调节机制可以促进对中枢神经系统进化的理解。

为了研究皮质是否参与 REM 睡眠调节，研究人员在 Thy1-GCaMP6s 小鼠身上植入了一个覆盖整个背侧皮质的慢性窗口。

他们使用双通道宽视野成像系统捕获钙和血流动力学信号，同时进行脑电图、肌电图 (EMG) 和视频记录。经过空间独立成分分析，分离出11个以相应解剖结构命名的功能模块。在这些模块中，RSC 表现出比其他模块最高的激活。

使用格兰杰因果关系和卷积非负矩阵分解分析，研究人员发现皮层波主要起源于 RSC，并且这种波专门发生在快速眼动睡眠中，而不是其他大脑状态。此外，他们发现 RSC 神经元激活是层特异性的，选择性激活第 2/3 层而不是第 5 层。

有趣的是，通过检查视频记录，研究人员发现，在快速眼动睡眠期间，老鼠除了会出现阵阵快速的眼球运动外，还表现出丰富的面部运动。通过使用无监督方法提取特征和聚类来分析面部运动，他们发现了 REM 睡眠的两个子阶段：有 (aREM) 或没有 (qREM) 丰富的面部运动。这两个子阶段具有明显的自主活动和不同的 EEG 频谱，REM 睡眠总是从 qREM 过渡到 aREM。