浙大一项果蝇研究,探讨未来人类睡眠2小时或可精神一整天

摘 要

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昼夜节律和睡眠稳态是共同进化而来的生物现象,前者控制人类何时入睡,后者控制每天要睡多久。在果蝇,小鼠和人类中,都能观察到这两种行为共同作用来控制动物的周期性睡眠。随着近年来对各种模式生物的研究,科研人员对分别调控这两种行为的分子和神经通路了解得很多。但在大多数生物中,对节律神经回路如何输出到睡眠中心的连接机制依然未知。使得这成为睡眠领域的一个非常重要的问题。

近日浙江大学医学院百人计划郭方研究员,以果蝇为模式生物,鉴定出其脑中的背侧昼夜节律神经元APDN1往睡眠稳态中心-椭球体EB-R2投射的神经回路,并将相关成果发表在知名期刊《神经元》(Neuron)上。研究揭示了该神经回路决定睡眠和觉醒水平的作用机制,为阐述昼夜节律回路和睡眠回路的连接机制提供了非常重要的实验依据。

这项科研工作的第一作者为浙江大学医学院神经生物系郭方研究员,郭方研究员和2017诺贝尔生理学和医学奖获得者、美国布兰迪斯大学Michael Rosbash教授为本论文的共同通讯作者。

找到“开关”和“连接”

寻找两者的关系,前提是有两个实验基础,一个是郭方和导师Michael Rosbash之前就对有过明确的研究,果蝇的昼夜节律神经元APDN1是控制睡眠稳态的阀门,同时在2016年,约翰霍布金斯大学的科学家们已经鉴定出果蝇中调控睡眠稳态的神经元是椭球体EB-R2

因此研究的主线就落到APDN1椭球体EB-R2的关系上。

实验中,郭方及其同事们发现果蝇的APDN1神经元有两簇投射,一簇向果蝇大脑前侧,一簇向果蝇大脑后侧。前期的研究中,科学家们关注的时候向后的这一簇,它起着抑制果蝇的活动的作用,该研究发现了果蝇节律神经元控制睡眠的奥秘。

那么APDN1的前一簇往哪个脑区投射,生物学的功能是什么?

他们利用最新发明的神经回路技术-跨突触显示技术,追踪投射神经元的走向。并通过膨胀显微镜(Expansion Microscopy)放大并透明化果蝇的大脑,发现这簇轴突往前投射到一个叫AOTU的脑区。钙成像技术表明,它们支配着一群特殊的TuBu神经元,并通过其与更高脑区域的睡眠稳态中心-椭球体EB-R2偶联。

最终郭方团队在形态学上鉴定出果蝇的背侧节律神经元APDN1往果蝇的睡眠稳态中心与椭球体EB-R2投射的神经回路。神经元APDN1作为一个“开关”调控着EB-R2,激活APDN会在EB-R2中诱导出类似人类睡眠时的特定振荡模式。

睡眠“防火墙”

已有的研究发现,当人类进入睡眠时会形成特定频率振荡的脑电波。那么,郭方通过钙成像检测到的果蝇调控睡眠脑区的高频振荡,会不会和在高等动物的一样,起着睡眠时降低对外界反应的作用?


浙大一项果蝇研究,探讨未来人类睡眠2小时或可精神一整天


在实验中,郭方通过机械刺激偶联光遗传学实验来证明自己的假设。当果蝇睡眠时,他每隔半个小时都给果蝇一个机械振动,果蝇都会产生受激反应,从睡眠中惊醒,呈现出规律性的高活动,然后再逐渐入睡。



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发布日期:2019-09-11 17:51:14 所属分类: 高等教育

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