丘脑室旁核参与睡眠觉醒调控的研究进展

卜孝丽，刘程曦，付 豹

(1.遵义医科大学附属医院 重症医学科，贵州 遵义 563099；2.遵义医科大学 贵州省麻醉与器官保护重点实验室，贵州 遵义 563099)

随着Moruzzi和Magoun首次提出网状结构理论，人们便开始意识到丘脑对于觉醒的重要性[1]。然而，早期神经科学领域的研究方法涉及到大规模地损伤丘脑的所有细胞，从而产生丘脑在觉醒调控方面的偏激结论，即损伤丘脑不影响大脑皮层的激活和觉醒的丧失[2]。

近年来，随着光遗传学、化学遗传学等创新方法与转基因动物模型相结合，可观察到特异性细胞的实时激活或抑制产生的调控效应，于是人们便开始重新定位丘脑室旁核(Paraventricular thalamus，PVT)在睡眠-觉醒方面的调控作用。临床研究表明，卒中所致的旁正中丘脑损害可引起患者出现严重的觉醒障碍，提示旁正中丘脑参与觉醒的调控[3]。灵长类动物的旁正中丘脑映射在啮齿类动物的同源脑区包括PVT、连接核、背内侧核和前内侧核等丘脑非特异性核团[4]。有研究观察旁正中丘脑在不同睡眠/觉醒状态下的 c-fos 表达谱，发现PVT区在觉醒或延长觉醒状态下，表现出最高水平的c-fos 表达；然后他们进一步采用光纤钙成像记录和多通道放电技术监测PVT神经元在睡眠-觉醒周期中的活动规律，发现PVT神经元在觉醒期间保持高兴奋性活动，并且其兴奋性在由睡眠向觉醒转换过程中急剧增高[5]。由此我们推测PVT在睡眠-觉醒调控方面扮演着十分重要的角色。因此本文将主要围绕PVT的解剖结构及神经元的特性、参与睡眠-觉醒的相关神经通路、PVT对睡眠-觉醒调节作用做一综述，以期为后续研究提供参考。

1 PVT的解剖结构及神经元特性

PVT位于第三脑室室管膜下，是丘脑中线核团之一。PVT按首尾方向分为前、中、后三部,向前与丘脑下部室旁系统相连续，向后与中脑内的中脑导水管周围灰质相连续。

PVT内神经元主要是谷氨酸能神经元，合成释放谷氨酸，参与神经信号的传递[6-9]。谷氨酸的释放需要借助突触囊泡[10]，合成的谷氨酸进入囊泡内需要特异性的谷氨酸转运体(Vesicular glutamate transporters,VGLUTs)参与[11-12]。此转运体有3种形式，分别是VGLUTs1，VGLUTs2，VGLUTs3。其中前两种在中枢神经系统内大致呈互补性分布，是中枢神经系统内谷氨酸能神经元末梢的特异性标记物，VGLUTs3多数表达非谷氨酸能神经元上[13]。VGLUT1 mRNA阳性神经元主要分布于皮层和部分皮层下结构如僵核、丘脑背内侧核、丘脑中央下核等，而VGLUT2 mRNA阳性神经元主要见于丘脑中线核群和板内核群如PVT、丘脑中央内侧核。通过原位分子杂交技术发现PVT内仅观察到VGLUT2 mRNA阳性而未见VGLUT1 mRNA阳性神经元，提示PVT中的谷氨酸能神经元仅表达VGLUT2 mRNA[14]。

2 PVT的纤维投射

PVT主要接受内侧前额叶皮层[15]和下丘脑的纤维投射，特别是视交叉上核、下丘脑外侧核和弓状核[15-17]，脑干核，如中缝核、蓝斑核、腹侧被盖区、桥脑被盖核，导水管周围灰质[15,18-22]和上丘[23]。相反，PVT主要支配脑部区域有基底外侧核和中央杏仁核、以及底纹核[7,24-25]，伏隔核[26-28]和前额叶皮层[17,29-30]，参与了各种生理及病理性功能调节，是多种神经功能的关键网络节点，其中与睡眠-觉醒相关的神经纤维投射可能有以下几条：

2.1 PVT→伏隔核(nucleus accumbens，NAc)通路 既往研究已证明PVT-NAc通路的存在[31],且该通路在觉醒调控方面发挥着重要作用。Ren等[5]运用光遗传学技术激活PVT→NAc投射通路，可以使小鼠从非快速动眼睡眠和快速动眼睡眠过渡到觉醒状态；反之，对投射到NAc的PVT神经元的特异性化学抑制则显著降低了觉醒程度；为了进一步证明NAc对于觉醒调控的必要性，该作者用鹅膏蕈氨酸毁损NAC神经元后，PVT对觉醒状态的促进作用明显减弱，证明了该通路在觉醒状态控制中的重要性。Zhu等[32]综合运用当前最前沿的透明脑技术、化学遗传学、光遗传学、膜片钳、免疫三维成像等技术证实了PVT是依赖觉醒状态行为(如药物成瘾)相关记忆网络的关键节点，揭示了PVT→NAc通路是治疗药物成瘾的潜在靶点。此外，研究人员运用逆行环路示踪方法发现PVT前部(Anterior paraventricular thalamus,aPVT)和PVT后部(Posterior paraventricular thalamus,pPVT)支配的皮层下靶点有差异，其中aPVT中神经元主要支配NAc背侧部分，pPVT中神经元支配NAc腹侧、底纹床核背外侧区、杏仁核中央核的外侧区和囊区[33]。而近来研究发现PVT的前后轴上分布有两种主要的神经元亚型，Ⅰ型神经元支配NAc的核心和腹侧核，而Ⅱ型神经元主要支配NAc的背侧，且Ⅰ型和Ⅱ型神经元对显著刺激有不同的反应，其中aPVT中主要以Ⅱ型细胞为主，pPVT中主要以Ⅰ型细胞为主[34]。综上可知，aPVT与pPVT存在潜在功能差异，其中aPVT在觉醒调控方面发挥重要作用。

2.2 外侧下丘脑(Lateral hypothalamus，LH)→PVT通路 LH是包含多种神经元的下丘脑区域，内部包含的神经元主要有褪黑素 (Melanin-concentrating hormone，MCH) 神经元、食欲素(Hypocretin，Hcrt)神经元、γ-氨基丁酸能(γ-aminobutyric acid，GABA) 神经元、谷氨酸能神经元等[35]。其中在丘脑的所有核团中，PVT接受来自LH最为密集的Hcrt能神经纤维的传入[36-37]。LH中Hcrt能神经元在睡眠-觉醒中发挥着重要作用[38-39]。此外，在PVT内发现大量的食欲素能受体(Hypocretin receptor,HCRTR)，且激活PVT中的HCRTR1受体可增加了伏隔核中多巴胺水平，并调节认知情绪信息的处理[40]。此外Ren等[5]运用光遗传方法激活此通路则促进觉醒，反之，用化学遗传学特异性抑制LH的Hcrt能神经元，则明显地降低了觉醒程度，主要表现为觉醒持续时间的缩短和觉醒的发作次数增多,并且抑制这一通路延长了非快速眼动睡眠和快速眼动睡眠到觉醒的潜伏期。由上可知，LHHCrt→PVT通路在觉醒调控方面具有重要作用。

除Hcrt能神经元，PVT谷氨酸能神经元也接受LH其他神经元的输入[32]，LH中含有褪黑素能神经元且PVT上有大量褪黑素受体存在[35，40]。此外，已有报道褪黑素分泌夜高昼低[41-42]，在睡眠的发生起重要作用。其中PVT的活性也呈现出昼夜规律[43]。由此推测，LH褪黑素能神经元通过抑制PVT神经元从而发挥促睡眠作用。近来有研究运用膜片钳等技术发现褪黑素特异性作用于PVT上的褪黑素受体1，通过增强胞体延迟整流钾电流从而抑制PVT神经元兴奋性；另一方面，褪黑素可抑制PVT谷氨酸能神经元的兴奋性输入，进而降低PVT的放电活动；在行为学上PVT局部给予褪黑素可显著减少觉醒时间；相反，PVT内给予褪黑素可增加非快动眼睡眠和快动眼睡眠的时间，促进觉醒向睡眠的转换[43]。由此可见，褪黑素通过调节PVT的活性从而发挥促睡眠效应。PVT神经元上食欲素能受体和褪黑素受体的存在更好地平衡了PVT对睡眠-觉醒功能的调控，也在一定程度上为睡眠障碍患者的治疗提供一些新的理论指导。

2.3 蓝斑(Locus coeruleus，LC)→PVT通路 LC位于脑干脑桥前背部，接近第四脑室下壁喙部末端，是脑中合成去甲肾上腺素(Norepinephrine，NE)的主要部位，LC有广泛的输入和输出连接，参与调节觉醒、注意力和认知的调节[44]。有研究利用光遗传学特异性激活LC-NE能神经元，可促进小鼠由睡眠向觉醒的转化，同时伴有脑电图的去同步化和瞳孔扩大[45]。在LC处注射GABA B受体拮抗剂时，可使LC神经元放电频率增加，从而使小鼠从深麻醉状态向清醒状态转变[46]。此外，一系列研究证明LC处有大量神经纤维投射到PVT[47-48],，且LC是PVT功能的一个重要调节器，通过控制pPVT的抑制性输入，从而调节PVT神经元的兴奋性以保持警觉状态[49]。Sugiyama等[50]使用质谱成像(MSI)发现PVT中有5-HT和NE共同存在，而蓝斑核是产生NE的主要脑区，NE是脑内一种兴奋性神经递质[47]，因此推测LC通过分泌NE而作用于PVT而发挥促觉醒作用。本课题组在PVT处微注射去甲肾上腺素、α受体拮抗剂(酚妥拉明)、β受体阻滞剂(普萘洛尔),结果表明室旁核微注射NE可以加速丙泊酚麻醉的苏醒，且伴随δ波减少，β波增多；酚妥拉明组则表现为苏醒延迟，δ、θ波比例增加；普萘洛尔不影响丙泊酚麻醉的苏醒时间和脑电[51]。由上可知，LC通过NE的释放而激发PVT的α1受体而发挥促觉醒作用。

2.4 中缝背核(Dorsal raphe nucleus，DRN)→PVT通路 DRN外形呈扇形，位于中脑导水管腹侧，其主要神经元是五羟色胺(Serotonin，5-HT)能神经元，其控制着多种功能状态，如奖赏行为、运动功能和觉醒调控等[52-53]。Sugiyama等[50]使用质谱成像(MSI)发现PVT中有5-HT和NE共同存在；对急性色氨酸耗竭和同位素标记色氨酸在体内输注引起的5-HT波动的分析显示，中缝核、PVT、杏仁核之间存在密切的动力学联系，其它核团则没有，说明存在一个由5-HT介导的中缝核到PVT的通路。Migliarini、Muzerelle等[54-55]通过5-HT的定量显示PVT接受中缝核衍生的密集5-HT能神经支配；5-HT是脑部的一种兴奋性神经递质并在促觉醒中起着重要作用。利用基因敲出技术敲出编码5-HT基因时，PVT中5-HT能神经纤维密度减少；相反，通过注入5-HT的前体5-HTP后,此前的反应得以逆转[56]。综上可知，5-HT对于大脑中神经回路的维护有重要作用，且DRN可通过5-HT作用于PVT而发挥促觉醒作用(见图1)。

PVT为丘脑室旁核；NAc为伏隔核；LH为外侧下丘脑；LC为蓝斑；DRN为中缝背核。图1 丘脑室旁核神经网络结构

3 丘脑室旁核对觉醒的调控作用

觉醒是感觉、运动、思维和意识等活动的基础，觉醒不良可引起警觉性降低、注意力涣散以及认知功能下降，其中PVT在觉醒调控和维持中发挥着重要作用。在早期研究中，Peng等[57]运用免疫组化方法对PVT神经元进行了cfos染色(cfos是神经元活性的标记物)，结果发现暗阶段的cfos水平高于光阶段(啮齿类动物在暗阶段处于活动期，光照期处于静止期)，其cfos显示区域主要集中于投射到杏仁核的aPVT和投射到伏隔核的pPVT，其峰值通常在关灯后4-6小时达高峰[5]。此外，Kolaj等[58]运用膜片钳技术发现，在暗阶段aPVT神经元动作电位频率和去极化水平比光照期高。Ren等[5]研究发现觉醒期PVT神经元钙信号水平高于睡眠期。近年来，研究发现小鼠由非快动眼睡眠到觉醒阶段，PVT中甘丙肽能神经元投射到边缘下区的纤维密度会减少，其中甘丙肽能神经元主要分布于aPVT[34]。这些研究表明PVT亚区中的细胞活性在睡眠-觉醒周期中并没有一致改变，而是PVT中特定的细胞类型在行为觉醒期间被激活。

除了PVT神经元在睡眠-觉醒期间发生活性变化外，其自身特点也可以促进觉醒。PVT神经元的钙信号记录结果显示在觉醒发生前，PVT神经元活性便开始增加[5]。该作者进一步采用光激活PVT谷氨酸能神经元，则可促进小鼠由非快速眼动睡眠向觉醒状态转变，这主要由PVT→NAc和LH→PVT通路介导；相反，化学抑制或直接毁损PVT神经元，则可减少小鼠在暗阶段的觉醒时间和降低觉醒维持能力。另一方面，在暗阶段起始点前化学激活PVT甘丙肽能神经元(此类神经元主要聚集于aPVT),则可减少小鼠在暗阶段的觉醒时间和增加非快速眼动睡眠时间[34]。值得注意的是，PVT除了接受大量觉醒调控系统-下丘脑食欲素能输入，同时也接受来自视交叉上核(Suprachiasmatic nucleus，SCN)输入，其中SCN调控昼夜节律[59]。因此，PVT作为生物节律和觉醒信号的主要接受者，PVT神经元的激活可以促进觉醒。

PVT也参与了不依赖于光-暗周期的觉醒状态的调节。Zhu等[60]研究发现小鼠接受不同的刺激后(包括嗅觉、视觉和听觉)，PVT神经元活性会增加，表明PVT参与行为相关事件。Mendoza等[61]发现长期饲养于黑暗环境中的大鼠，每天在规定时间给予食物，后期会发现，在该时间点即使不给予食物，PVT神经元的cfos也会升高。同样，Allingham等[62]发现新生兔在规定的时间哺乳前，其PVT神经元cfos水平会增加。这些结果表明PVT不仅可以对行为相关事件产生反应，也可以对将要发生的事件产生反应。综上可知，PVT不仅参与睡眠-觉醒周期相关的觉醒，同时也参与了显著刺激相关的觉醒。

4 丘脑室旁核对于睡眠的调控作用

近年来，睡眠障碍成为神经科学领域关注的一个热点问题。良好睡眠质量是觉醒的维持和生命活动的基础，睡眠过程是机体大脑自身代谢废物的一个消除过程和机体自身免疫力的增强过程。已有研究表明，褪黑素可以用来帮助入睡和治疗睡眠障碍，而PVT是褪黑素的一个重要调控位点[43]。褪黑素主要由松果体产生，松果体与PVT在解剖结构上通过第三脑室相连，褪黑素的产生可以通过脑脊液而作用于PVT上的褪黑素受体从而调控PVT神经元的活性。在正常情况下，由视网膜感知环境中的蓝光亮度，给出的光暗信号传递给松果体，从而令其在黑暗环境下产生褪黑素，因此，褪黑素的产生有夜高昼低现象[42]。PVT上褪黑素受体密度也存在一个昼夜变化规律，从而适应褪黑素的变化而介导PVT神经元活性的昼夜变化。

PVT对于睡眠的调控作用主要依赖于褪黑素对于其神经元活性的抑制，作用于PVT的褪黑素除了来自于松果体，还少量接受LH的褪黑素能神经元的分泌。有研究发现褪黑素通过增强胞体延迟整流钾电流，并抑制谷氨酸兴奋性突触输入，进而降低 PVT 神经元放电活动；在行为水平上，PVT 内给予褪黑素可促进睡眠的发生，这种作用主要是通过激活 MTR1 介导[43]。

前期研究发现，下丘脑腹外侧视前区与面旁核的GABA能神经元促进睡眠与麻醉诱导[63-64]，PVT是继二者后又一个参与睡眠调控核团。脑部相继促睡眠核团的发现及相应的促睡眠机制的研究，将有助于临床上睡眠障碍的治疗和减少促睡眠药物的副作用，从而实现更为精准的药物靶向治疗。

5 展望

PVT参与多种生理及病理过程，如睡眠-觉醒调控[43]、奖赏行为[65-66]、成瘾行为[67-68]、应激反应[69]、社交能力[70]及情绪[71]等，是多种神经功能的关键网络节点，其中近年来对于睡眠-觉醒的调控已经成为研究的热点。在过去几十年中，已经通过遗传学、形态学、行为学、生理学及免疫组化等方法探索其功能及潜在机制。然而，关于PVT在睡眠-觉醒调控方面仍有很多未解之谜。笔者认为，今后有关PVT的研究应着手于以下几方面：①其他局部丘脑和丘脑外结构的谷氨酸能神经元是否发挥着与PVT相似或不同的作用。②PVT内不同类型神经元如何调控睡眠-觉醒？③对PVT神经元上多种受体的研究，探索其不同受体潜在的递质效应。④探索更多的以PVT为网络中心的神经环路从而发现其更多的神经生物学功能。