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文獻精讀第30期

文章概述
人的一生中大約三分之一的時間在睡覺，睡眠對于維持機體正常的生理功能十分重要。睡眠的功能包括代謝恢復、解毒、突觸可塑性調節和記憶鞏固等。神經發育障礙，如自閉癥譜系障礙、精神分裂癥等，常常會導致睡眠障礙，包括睡眠啟動延遲、睡眠時間縮短和睡眠碎片化等問題，而發育性的睡眠障礙和成年行為異常之間的因果關系仍然難以確定。2022年5月26日，斯坦福大學的研究人員在《Nature Neuroscience》雜志上發表題為“Adolescent sleep shapes social novelty preference in mice”的文章。文章作者通過光纖記錄、體外電生理和化學遺傳學等手段，證實了青少年時期睡眠中斷（Sleep Disruption, SD）會導致與社交互動行為密切相關的腹側被蓋區（Ventral Tegmental Area, VTA）多巴胺能環路出現一系列的長期功能和結構變化，并導致社交新奇偏好損害。這種發育性睡眠功能受到青春期VTA活動的調節，激活VTA模擬了青春期SD引起社交缺陷，而沉默VTA則拯救了青春期SD引起社交缺陷。最后，作者利用自閉癥小鼠模型證明，修復青春期睡眠或糾正VTA的活動可以改善成年后的社交缺陷。

核心觀點

1、青春期SD導致動物社交新奇偏好長期損害，并改變VTA多巴胺能神經元的激活和釋放模式；
2、青春期VTA激活模擬了青春期SD引起社交缺陷，而VTA沉默則拯救了青春期SD引起社交缺陷；
3、在自閉癥小鼠模型中，修復青春期睡眠或糾正VTA的活動拯救了小鼠成年后的社交缺陷。

研究結果分析

1. 青春期SD會影響小鼠成年后的社交新奇偏好
為了研究青少年時期的SD是否會影響成年后的社交行為，作者利用自動睡眠剝奪系統來干擾動物的睡眠，并通過三箱社交實驗來檢測動物的社交能力和社交新奇偏好。研究結果顯示，青春期SD不會影響小鼠的社交能力，但是會損害小鼠的社交新奇偏好。這種社交新奇偏好的缺陷不是由于與睡眠剝奪相關的慢性壓力造成的，因為在青春期的慢性束縛壓力并沒有導致類似的缺陷。青春期SD對社交新奇偏好的影響持續時間較長，在初次實驗4周后仍然能夠檢測檢測到SD小鼠社交新奇偏好缺陷。將同樣的SD方案應用于成年小鼠并不能導致動物社交能力或社交新奇偏好方面的任何缺陷，這表明社交新奇偏好要求小鼠在青春期的睡眠不受干擾，而非成年時期。
 

2. 青春期SD能夠削弱小鼠與社交新奇性相關的VTA激活
為了搞清楚哪些大腦結構可能是青春期SD引起的社交新奇偏好缺陷的基礎，作者利用光纖記錄系統檢測了與社交互動密切相關的VTA 多巴胺能神經元的活動情況。作者發現VTA 多巴胺能神經元的整體活性并沒有變化，然而，當追蹤到每個相互作用時，作者在對照組小鼠中發現了一種依賴于社交新奇性的VTA激活模式，而在SD組小鼠中則沒有。當測試小鼠遇到第一次社交刺激時，對照組小鼠VTA多巴胺能神經元表現出顯著的激活，但這些神經元的反應隨著社交互動的增加迅速呈指數下降。當對照小鼠遇到第二次新的陌生小鼠時，VTA多巴胺能神經元顯著反應再次出現，并再次迅速下降，而已經熟悉的小鼠沒能引起VTA神經元的明顯反應。然而，在SD小鼠中，小鼠第一次遇到陌生小鼠時VTA多巴胺能神經元的反應明顯減弱，而在第二次遇到新的陌生小鼠時VTA神經元的反應完全消失。并且作者注意到，在SD組中，大量的Ca²⁺活動仍然發生，但與社交互動事件沒有時間上的一致性，這表明VTA的激活與社交新奇性脫鉤。
 

3. 青少年SD導致小鼠社交互動中的多巴胺的釋放受損
VTA多巴胺能神經元在處理社會獎勵和調節社交行為方面的作用依賴于它們在中皮層的下游投射，包括伏隔核（Nucleus Accumbens, NAc）和前額葉皮層（Prefrontal Cortex, PFC）。為了檢測NAc是否是青春期SD引發社交障礙的靶點，作者利用多巴胺探針傳感器來直接測量NAc中的多巴胺釋放，結果顯示，NAc中的多巴胺釋放與VTA神經元反應模式一致。SD小鼠遇到第一次社交刺激時，NAc中的多巴胺釋放異常升高，而在遇到第二次新的社交刺激時，NAc中的多巴胺釋放信號受損。

4.青春期SD會改變VTA的神經投射輪廓
因為青春期SD會導致成年后長期的社交缺陷和NAc中異常的多巴胺釋放，因此，作者假設青春期SD會引發VTA投射環路永-久性的結構變化。作者使用雙標記策略檢測了VTA 多巴胺能神經元到NAc和mPFC的投射。與NAc中多巴胺釋放異常增加的結果一致，SD小鼠NAc中的中型多棘神經元受VTA的神經支配增加，而mPFC中的錐體神經元受VTA的神經支配減少，其中間神經元沒有變化。這些形態學特征表明，SD誘導的VTA投射靶點的結構變化對社交互動至關重要。
 

5. 青春期VTA的活動對小鼠社交新奇偏好的形成至關重要
VTA多巴胺神經元在清醒時高度活躍，但在睡眠時基本沉默，青春期SD導致VTA過度興奮。因此，作者考慮在青春期通過連貫的睡眠/覺醒周期維持VTA平衡活動水平是否對塑造社交新奇偏好至關重要。為此，作者首先檢測了在青春期直接過度刺激VTA 多巴胺能神經元是否足以導致成年后的社交互動缺陷。通過化學遺傳學手段特異性的激活VTA能夠導致動物社交新奇偏好的喪失，但不影響其整體社交能力。因為激活VTA減少了非快速眼動睡眠，這可能是其他環路受到睡眠減少/清醒增加的影響重現了SD行為表型。為了排除這種可能性，作者利用化學遺傳學手段特異性的抑制了青春期SD小鼠VTA的激活，VTA多巴胺能神經元抑制恢復了SD小鼠的社交新奇偏好。這些結果表明，青春期睡眠會影響VTA多巴胺能神經元對社交新奇偏好的塑造，而在青少年關鍵時期，VTA活動的均衡是調節這一關鍵睡眠功能所必需和充分的。除了行為學結果之外，作者還發現了與上述結果一致的形態學改變，VTA被特異性激活后，小鼠NAc中多巴胺能神經支配增加，而VTA特異性抑制則導致SD小鼠NAc中多巴胺能神經支配減少。
 

6. 修復青春期睡眠拯救了自閉癥小鼠的社交缺陷
在確定了持續干擾青春期睡眠會損害社交新奇偏好、VTA-NAc環路的社交新奇性反應以及成年后VTA投射輪廓后，作者想進一步了解睡眠異常是否會在青春期自發地發生在神經發育障礙動物模型中，以及恢復青春期睡眠是否可以挽救這些動物的社交缺陷。為此，作者使用了一個自閉癥小鼠模型（InsG3680^+/+小鼠）。與同窩野生型小鼠相比，InsG3680^+/+小鼠清醒時間更多，非快速眼動睡眠更少，在NAc中的多巴胺能神經支配增加，VTA軸突表型類似于青春期SD小鼠以及異常的VTA興奮。接下來，作者利用氟吡汀來糾正InsG3680^+/+小鼠的青春期睡眠缺陷。氟吡汀顯著增加了InsG3680^+/+小鼠非快速眼動的時間，降低了清醒時間，使得小鼠睡眠時間的完全補償達到了與野生型小鼠相當的水平。重要的是，在青春期給予氟吡汀的InsG3680^+/+小鼠，其社交新奇偏好完全恢復。此外，作者在不改變睡眠/清醒狀態總時間的情況下，通過增加InsG3680^+/+小鼠特定的睡眠成分（皮層慢波活動，SWA），完全恢復了小鼠的社交新奇偏好。由于抑制VTA活動可拯救青春期SD小鼠的社交缺陷，作者進一步通過化學遺傳學抑制了InsG3680^+/+小鼠青春期VTA的活動，小鼠的社交缺陷得以恢復。因此，作者證明了改善非快速眼動睡眠以及減少青春期關鍵期VTA活動可以恢復自閉癥小鼠的社交新奇偏好。
 

總結

該研究闡述了青春期睡眠和社交行為發展之間的聯系，青春期SD導致成年后社交新奇偏好以及與社交互動密切相關的VTA-NAc環路受損。VTA-NAc社交環路作為青春期SD的靶點，在研究中，作者發現青春期SD能夠誘導VTA-NAc環路出現一系列結構和功能長期改變。在SD小鼠中，VTA的激活模式不再是社交新奇刺激所特有的，與社交新奇相關的活動在很大程度上出現了減弱。NAc中多巴胺釋放信號更是在社交新奇刺激中完全消失。此外，在青少年的關鍵時期，激活VTA能夠導致動物社交新奇偏好喪失，而特異性抑制VTA活動則恢復了SD小鼠的社交新奇偏好。并且，作者最后利用自閉癥小鼠模型，進一步證明，青春期的睡眠修復能夠拯救自閉癥小鼠的社交缺陷，青少年時期的非快速眼動睡眠在社交新奇偏好的發展中起著關鍵作用，而快速眼動睡眠在其中的作用可有可無。綜上所述，該研究為早期干預非快速眼動睡眠和/或非快速眼動睡眠特定環路作為改善或預防神經發育障礙相關的社交癥狀進展的潛在應用提供了實驗依據。

研究方法亮點

這項工作闡述了青春期SD誘導成年后社交新奇偏好受損的神經環路機制。研究用到了睡眠剝奪、腦電肌電記錄、行為學評估、光纖記錄、光遺傳學、腦立體定位注射以及免疫組化等實驗技術。瑞沃德深耕生命科學研究領域20年，一直致力于為客戶提供可信賴的解決方案和服務，可提供該研究中涉及的睡眠剝奪、腦電肌電記錄、行為學評估、光纖記錄、光遺傳學、腦立體定位注射以及免疫組化等實驗的完整解決方案。截至目前，瑞沃德產品及服務覆蓋海內外 100 多個國家和地區，客戶涵蓋全球700+醫院，1000+科研院所，6000+高等院校，已助力全球科研人員發表SCI文章14500+，獲得行業廣泛認可。

原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41593-022-01076-8