Identificarea unei populații de neuroni ai cortexului cerebral activ cu somnul PNAS

  • Găsiți acest autor pe Google Scholar
  • Găsiți acest autor pe PubMed
  • Căutați acest autor pe acest site
  • Pentru corespondență: [email protected]

Editat de Sacha B. Nelson, Universitatea Brandeis, Waltham, MA și acceptat de Comitetul de redacție 23 mai 2008 (primit pentru revizuire 30 martie 2008)

unei

Abstract

Prezența undelor lente de amplitudine mare în EEG este o caracteristică primară care distinge activitatea cerebrală în timpul somnului de cea care apare în timpul stării de veghe. Deși neuronii activi în somn au fost identificați în alte zone ale creierului, neuronii care sunt activați în mod specific în timpul somnului cu unde lente nu au fost descriși anterior în cortexul cerebral. Am identificat o populație de celule din cortex care este activată în timpul somnului la trei specii de mamifere. Acești neuroni corticali sunt un subset de interneuroni GABAergici care exprimă NOS neuronal (nNOS). Deoarece expresia Fos în acești neuroni activi în somn, nNOS-imunoreactivi (nNOS-ir) este paralelă cu modificările intensității activității undelor lente în EEG, iar acești neuroni sunt inversați de sistemele de neurotransmițători implicate anterior în controlul somnului/veghei, nNOS cortical -neuronii lor pot face parte din substratul neurobiologic care stă la baza reglării homeostatice a somnului.

Somnul este bine cunoscut pentru că are proprietăți de recuperare (1) și pentru a facilita efectuarea comportamentelor învățate (2, 3); dimpotrivă, privarea de somn are ca rezultat deficite cognitive și de performanță (4). Prezența undelor lente de amplitudine mare în EEG este semnul distinctiv care distinge activitatea cerebrală în timpul somnului de veghe. Deoarece intensitatea undelor lente măsurate în intervalul delta al EEG (1,0-4,0 Hz) pare a fi reglată homeostatic și proporțională cu durata trezirii anterioare (5), sa presupus că activitatea undelor lente (SWA) este asociată funcția de restaurare a somnului și cu plasticitate sinaptică (2, 3, 6).

Circuitul neuronal care stă la baza SWA implică o buclă corticotalamocorticală și interacțiunea între un curent de cation activat prin hiperpolarizare (Ih) și un curent de Ca 2+ (It) cu prag scăzut (It) în neuronii talamocorticali (7, 8). În prezent nu se știe dacă cortexul cerebral este un participant activ sau pur și simplu un transportor pasiv al dinamicii SWA dependente de istoricul somnului. Identificarea unei populații discrete active de somn de neuroni corticali, cum ar fi cei din creierul bazal (BF) (9) și hipotalamusul preoptic-anterior (POAH) (10-13), ar ajuta la distincția dintre aceste alternative.

În experimentele efectuate pe trei specii de mamifere, am constatat că interneuronii GABAergici care exprimă enzima neuronală NOS (nNOS) sunt activate atât în ​​timpul somnului spontan, cât și în timpul somnului de recuperare (RS) după lipsa de somn (SD). Proporția neuronilor nNOS-imunoreactivi (nNOS-ir) care sunt activați în timpul somnului este corelată cu o măsură a intensității SWA cunoscută sub numele de „energie delta” (14, 15). Deoarece neuronii activi pentru somn, nNOS-ir sunt inervați de sistemele de neurotransmițători implicați anterior în controlul somnului/trezirii, neuronii corticali nNOS-ir pot fi un tip de celule nerecunoscut anterior implicat în SWA și o parte a substratului neurobiologic care stă la baza reglării homeostatice a somnului.

Rezultate

Expresia Fos este crescută în neuronii corticali nNOS în timpul RS.

Expresia Fos a fost utilizată anterior pentru a identifica zonele cerebrale active în somn în cadrul POAH, în mod specific, zonele preoptice ventrolaterale (10) și mediane (12). Am folosit această metodologie împreună cu imunomarcarea pentru markeri fenotipici pentru a identifica populații neuronale specifice care sunt active în timpul somnului la trei specii de rozătoare [a se vedea informațiile de sprijin (SI) Fig. S1 pentru o schemă a protocoalelor experimentale]. În cursul acestor studii, am observat că o populație de neuroni ai cortexului cerebral care exprimă nNOS au arătat o expresie a Fos mult crescută în timpul RS după o perioadă de SD. Acești neuroni nNOS-ir „activi în somn” au fost intens colorați, de obicei aveau o formă bipolară sau multipolară, aveau diametrul de ≈10-15 μm și erau localizați pe toate straturile corticale. Aceste caracteristici anatomice ale neuronilor nNOS-ir (Fig. 1D) sunt foarte asemănătoare cu cele raportate (16, 17). De asemenea, am observat un număr mare de celule nNOS slab colorate în cortex. Deoarece imunocolorarea celulelor slab colorate nu a marcat în mod fiabil procesele celulare și, prin urmare, nu a permis determinarea fără echivoc a neuronilor imunoclinați din semnalul de fundal, au fost efectuate analize suplimentare numai pe celulele nNOS-ir colorate intens.

Așa cum este indicat în Fig. 1 și Fig. S2, numărul neuronilor Fos +/nNOS-ir din cortexul șobolanului este mult crescut în timpul RS, o perioadă asociată în mod tipic cu veghe redusă, creșterea timpului total de somn (Fig. 1A) și SWA crescut în timpul mișcării nonrapide a ochilor (NREM) somn (Fig. 1B). Deoarece neuronii nNOS-ir se găsesc în mai multe regiuni corticale și în alte zone ale creierului, am evaluat variația regională a expresiei Fos în neuronii nNOS-ir. Celulele dublu-marcate Fos +/nNOS-ir au fost găsite în mai multe regiuni corticale și în mai multe straturi corticale în timpul RS, în timp ce foarte puține celule dublu-marcate au fost observate în timpul SD (Fig. 1 C și D). FIG. 1E demonstrează creșterea semnificativă a celulelor Fos +/nNOS-ir în toate regiunile corticale examinate. Proporția de celule dublu-marcate a crescut, de asemenea, în timpul RS în caudat-putamen, cu toate acestea, proporția a fost mai mică în această regiune a creierului decât în ​​orice zonă corticală examinată. Procentul de celule dublu-marcate nu a diferit între RS și SD în zona perifornicală a hipotalamusului (Fig. 1E), o regiune în care sunt localizate celulele active la veghe.