脑干低维群体动力学门控快速眼动睡眠

《Nature Neuroscience》：Low-dimensional population dynamics in the brainstem gate REM sleep

　　

快速眼动睡眠（Rapid-eye-movement sleep, REM睡眠）由脑干产生，但驱动其转换的脑干群体动力学机制仍不清楚。研究人员结合小鼠Neuropixels高密度电生理记录与降维分析发现，中脑与脑桥的神经群体活动主要由两个主成分支配，其中一成分捕捉到神经活动的强次慢波（infraslow）波动。在非REM睡眠（non-REM sleep, NREM睡眠）向REM睡眠转换过程中，群体活动沿固定轨迹演变，且此前伴随该次慢波成分的升高。分析显示，所有脑干区域均存在REM睡眠激活与抑制的神经元亚群，二者在次慢波及REM睡眠间期呈现拮抗性动态，并通过拮抗性功能连接相互强化。激活髓质REM睡眠促进神经元可快速增强次慢波成分，其强度决定上游回路诱导REM睡眠的能力。综上，该研究揭示了REM睡眠的门控机制，表明NREM至REM睡眠转换由低维、拮抗性的脑干群体动力学协调完成。

本研究发表于《Nature Neuroscience》，聚焦于REM睡眠产生的脑干机制。当前已有研究详细描绘了REM睡眠调控的神经回路图谱，将相关节点分为REM-on（促进）与REM-off（抑制）神经元，但对驱动NREM向REM转换的群体层面活动动力学及其如何协调超昼夜（ultradian）节律仍缺乏理解。特别是次慢波（infraslow, ~1分钟）振荡与超昼夜调制在不同REM调控神经元群体中是否普遍存在及其相互作用机制尚不清楚。为此，研究人员在头固定小鼠中结合Neuropixels高密度电生理记录、主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）、光遗传学操控及尖峰交叉相关分析，探究中脑与脑桥区域在睡眠期间的群体活动规律。研究发现，这些区域的神经活动呈低维特性，前两个主成分解释了大部分共享方差，其中第二主成分（PC2）与次慢波振荡紧密耦合，并在NREM→REM转换前显著升高，可作为REM睡眠倾向性的可靠预测指标。神经元按其对PC1（REM状态调制）与PC2（次慢波耦合）的响应可分为REM-on与REM-off亚群，二者在突触、次慢波及超昼夜时间尺度上呈现拮抗性动态，并通过功能连接相互抑制或兴奋。光遗传学激活背内侧髓质（dorsomedial medulla, dmM）GABA能神经元可快速提升PC2并抑制REM-off神经元，而激活腹侧髓质（ventral medulla, vM）谷氨酸能神经元则降低PC2并激活REM-off神经元。研究进一步表明，PC2的强度决定了上游REM-on神经元（包括dmM与内侧前额叶皮层mPFC）能否成功诱发REM睡眠。这一发现揭示了REM睡眠转换并非仅依赖特定核团的激活，而是受脑干整体网络状态的门控，为理解睡眠障碍的神经机制提供了新视角。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：1）在C57BL/6J小鼠及转基因小鼠（GAD2-IRES-Cre、VGLUT2-IRES-Cre）中进行头固定睡眠适应与脑电图（electroencephalogram, EEG）/肌电图（electromyogram, EMG）监测，以精确分类觉醒、NREM与REM睡眠状态；2）使用Neuropixels探针在中脑与脑桥多个区域进行高密度单细胞放电记录，并结合三维Allen小鼠脑图谱进行电极轨迹重建与神经元定位；3）应用交叉验证的主成分分析（PCA）提取群体活动的低维成分；4）通过光遗传学特异性激活dmM GABA能神经元、mPFC→下丘脑投射神经元及vM谷氨酸能神经元，结合Neuropixels记录分析其对群体动力学及睡眠状态的影响；5）利用抖动校正尖峰交叉相关图（jitter-corrected spike cross-correlograms, CCGs）评估神经元间的功能连接。

研究结果如下：

中脑与脑桥在睡眠期间的低维群体活动

研究人员通过Neuropixels记录发现，中脑与脑桥区域的神经群体活动可由两个主成分有效表征。PC1在REM睡眠期间强烈激活，而PC2捕捉到次慢波尺度的波动，并与EEG σ频段功率高度同步。这两个成分共同解释了超过三分之二的共享方差，表明睡眠期间脑干群体活动处于低维状态。

状态空间中刻板的NREM→REM转换

将群体活动投影至PC1-PC2构成的二维状态空间后，研究人员观察到NREM、REM与觉醒状态占据不同的子空间，且NREM→REM转换遵循固定轨迹：在转换前，群体活动沿PC2轴上升至NREM子空间顶部，随后进入REM子空间。PC2的峰值水平可提前110秒预测即将发生的REM转换，其预测能力显著优于其他主成分。

PC2轴上的拮抗性功能相互作用

根据神经元与PC2的相关性系数（c2），研究人员将其分为c2+与c2?亚群，二者在次慢波周期中呈现相反相位。功能连接分析显示，c2?神经元对c2+神经元存在显著的抑制性连接优势，且这种拮抗性连接在中脑与脑桥广泛分布，尤其在脑桥网状核（pontine reticular nucleus, PRN）与中缝核（raphe nuclei）中富集。

拮抗性的次慢波与超昼夜活动动态

结合PC1与PC2系数，神经元被划分为REM-off（c1?c2?）、REM-on（c1+c2+）及c1+c2?亚群。REM-off与REM-on神经元在次慢波周期中相位相反，且在REM睡眠间期呈现反向的斜坡式变化：REM-off神经元活动逐渐衰减，REM-on神经元活动缓慢上升，反映了REM睡眠倾向性的累积过程。

PC2门控上游REM-on神经元激活的效果

光遗传学激活dmM GABA能神经元可快速提升PC2并抑制REM-off神经元，成功诱发REM睡眠的概率取决于刺激开始时PC2的强度——PC2越高，越易触发转换。类似地，激活mPFC→下丘脑神经元也需依赖高PC2水平才能有效诱导REM睡眠。相反，激活vM谷氨酸能神经元则急剧降低PC2并阻断REM睡眠。

dmM GAD2神经元优先抑制REM-off神经元

通过短时（1秒）光遗传刺激，研究人员发现dmM GAD2神经元主要直接抑制c1?c2?（REM-off）神经元，这解释了为何刺激前REM-off神经元的低活动预示着更高的转换成功率。

讨论部分总结指出，本研究揭示了脑干REM睡眠调控的低维框架，表明经典的“双稳态开关”模型并非局限于特定核团，而是由中脑与脑桥分布式网络通过PC2维度的拮抗性相互作用实现。REM-off神经元的次慢波节律减弱与REM-on神经元基线活动上升共同编码了REM压力的积累过程。这一机制不仅协调了局部回路的动态，还决定了上游输入能否成功触发REM睡眠，为理解睡眠障碍（如发作性睡病、帕金森病中的REM异常）提供了群体层面的解释。研究受限于头固定范式，未来需在自由活动动物中验证这些动力学是否受清醒体验或应激的调节，并进一步解析跨脑区协调的低维特征。