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前言

睡眠是一種基本的、保守的行為，受到體內平衡力的嚴格調節;睡眠喪失導致持續的、深度的和鞏固的恢復睡眠（RS）。關于介導睡眠的穩態調節的分子和細胞機制，已經提出了多種假設。然而，盡管神經回路廣泛地涉及睡眠的穩態調節，它們是否在向促進睡眠的核團傳遞體內平衡信號中起著特殊的作用仍然是個謎。

2025年6月19日，約翰·霍普金斯大學Sang Soo Lee及其團隊，在Science雜志發表題為《Sleep need–dependent plasticity of a thalamic circuit promotes homeostatic recovery sleep》的文章，作者的研究結果表明，RE神經元是睡眠需求增加所必需的，并且能夠產生持續的深度睡眠，類似于穩態恢復睡眠。睡眠剝奪誘導RE-ZI回路的可塑性，加強了這個睡眠促進模塊的連接。這種可塑性的程度與穩態睡眠反彈的量相關，這表明RE-ZI可塑性可以作為睡眠需求的分子讀數。這些發現揭示了一種機制，通過這種機制，睡眠不足可以改變睡眠回路的功能耦合，從而促進持續的深度睡眠。

興奮性睡眠回路的篩查揭示了一個能夠驅動持續、深度和鞏固的NREM睡眠的RE神經元簇

研究人員通過狂犬病病毒介導的單突觸逆行追蹤，從11個NREM促進核團中鑒定出139個上游腦區，其中22個區域投射到≥3個NREM核團。通過化學遺傳學篩選發現，激活丘腦復合核多巴胺能神經元（REVEGF2）能顯著增加NREM睡眠，尤其以中RE（mRE）亞區投射至基底前腦、視前區等NREM促進核團的神經元作用最為突出。該區域與已知參與認知功能的前RE（aRE）區存在解剖學差異。

化學遺傳激活mREVEGF2神經元導致晝夜NREM睡眠持續增加且伴隨δ功率增強，但存在數小時延遲期，與腹外側視前區（VLPOGAL）神經元的快速短暫作用形成對比。光遺傳學實驗進一步證實，20Hz刺激可誘導劑量依賴性、持續6小時以上的深度NREM睡眠，且睡眠潛伏期縮短、δ功率增高。短時5分鐘刺激即可引發1小時的鞏固睡眠，表現為自然睡眠行為而非病態狀態。

這些發現提示，mREVEGF2神經元的激活驅動鞏固的、深度的和持續的NREM睡眠。這種不尋常的表型類似于在穩態RS中看到的表型，并使作者假設mREVEGF2神經元在穩態睡眠控制中發揮特定作用。

mREVEGF2神經元激活促進睡眠前的準備行為

與已知NREM促進回路（光遺傳刺激后立即誘發睡眠，停止后迅速覺醒）不同，mREVEGF2神經元的短暫光激活（20Hz, 5分鐘）表現出獨特延遲效應。行為準備階段：刺激后20分鐘才進入睡眠，期間小鼠顯著增加筑巢行為（整理睡眠區域）和自我梳理（多巴胺相關行為），而非直接睡眠或過度覺醒（圖2A-C）。睡眠過渡：激活后小鼠主動移入巢穴并保持靜止，而對照組持續活躍（圖2D-E）。部分小鼠甚至表現新型“清理巢穴”行為。功能必要性：夜間抑制mREVEGF2神經元會減少自然筑巢行為（ZT23-0時段），證實其對睡眠準備行為的調控作用。這些結果表明，mREVEGF2神經元不直接觸發睡眠，而是通過驅動前驅行為（如筑巢）促進睡眠環境的建立。

mRE活性在睡眠剝奪期間升高，并且是穩態RS所需的

傳統NREM促進神經元通常在睡眠時活躍，清醒時抑制，但mREVEGF2神經元表現出相反模式。慢性Neuropixels記錄發現，mRE神經元在SD期間放電頻率顯著升高，RS期間降低，且放電與覺醒狀態而非睡眠壓力直接相關（圖3E-G）。爆發性放電在SD期間更頻繁，但少數神經元未表現出SD依賴性激活（圖3H），提示功能異質性。TRAP2標記顯示，SD以劑量依賴性方式顯著增加Fos+ mRE神經元（70.0 ± 2.6%），且SD-TRAPed細胞在電生理上興奮性增強，但靜息膜電位和輸入電阻不變。單核RNA測序發現SD-TRAPed神經元主要為谷氨酸能（Slc17a6+），并高表達鈣結合蛋白Calb2，可進一步分為4個亞群（如Col11a1+、Tac2+等）。SD上調了與興奮性和突觸可塑性相關的基因，但非特異性。化學遺傳再激活SD-TRAPed神經元在CNO給藥2小時后顯著延長夜間NREM睡眠6小時，并增強δ功率和發作持續時間，表明其特異性調控穩態睡眠恢復。

為驗證SD-TRAPed mRE神經元的功能，研究者采用病毒限制性Fos-Cre系統（AAV-pFosCreERT2）標記SD激活的神經元，并化學遺傳激活（hM3Dq）。結果顯示，與TRAP2小鼠一致，再激活這些神經元仍顯著增加NREM睡眠時長、鞏固性和δ功率（圖4B-F），排除了非特異性Cre表達的影響。消融SD-TRAPed神經元損害睡眠穩態。通過Caspase 3介導的靶向消融，約52%的SD-TRAPed神經元被清除。這些小鼠表現出基線日間NREM睡眠減少（發作時長縮短），但夜間無影響；睡眠剝奪（SD）后恢復睡眠（RS）減弱，表現為NREM時長、鞏固性及δ功率降低，提示該群體對睡眠壓力累積與釋放均至關重要。在SD開始時化學遺傳抑制mREVglut2神經元（hM4Di），發現后續RS的NREM時長、鞏固性及δ功率顯著下降（圖4H-K），而抑制VLPO神經元無此效應；基線睡眠也受影響，表明mREVglut2神經元持續調控睡眠壓力。

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mREVEGF2神經元通過vmZI通路調控深度NREM睡眠

研究發現，mREVEGF2神經元廣泛投射至多個NREM促進核團，其中對腹內側ZI（vmZI）的投射尤為顯著。通過病毒標記（Syp:mRuby）發現，SD激活的mRE神經元（SD-TRAPed）在vmZI的突觸密度更高，提示其可能通過此通路調控睡眠。激活投射至vmZI的mRE神經元（20Hz, 5分鐘）可誘導持續、深度且鞏固的NREM睡眠（圖5B-F），表型與直接刺激mREVEGF2神經元一致。相比之下，激活投射至VLPOGAL的mRE神經元對睡眠無顯著影響，說明vmZI是主要下游靶點。在vmZI局部光刺激mRE神經末梢同樣能增強NREM睡眠，進一步證實該通路的必要性。通過回路上位性實驗發現，當消融vmZILhx6神經元后，再激活mRE神經元（CaMKIIα+）無法有效誘導深度NREM睡眠（圖5H-L），證明vmZI是mRE調控睡眠的核心樞紐。

mRE-vmZI回路在睡眠需求下的動態可塑性變化

研究發現，6小時睡眠剝奪（SD）可顯著增強mRE神經元向vmZI的投射。形態學變化：SD后mRE軸突的GFP信號（~4.9倍）和突觸素（SYP）顆粒（~1.7倍）顯著增加，表明突觸結構增強（圖6B-C）。可逆性：這種變化在6小時恢復睡眠（RS）后減弱，24小時后完全消失（圖6B-C），且與病毒感染效率無關。時間依賴性：1小時SD無影響，3小時SD輕微但不顯著，6小時SD才觸發顯著可塑性，與NREM睡眠的δ功率、時長和鞏固性增強同步。在SD期間抑制mRE活性，不僅減少后續RS的NREM睡眠，還降低vmZI區的SYP顆粒數（圖6E-G）。mRE可塑性與NREM睡眠量呈強正相關（圖6H）。直接化學激活mRE神經元（無需SD）即可增加vmZI突觸標志物，且可塑性程度與誘導的NREM睡眠量相關（圖6I-M）。mRE→vmZI通路的突觸增強與深度、持續的NREM睡眠密切相關，而其他回路（如VLPOGAL→LHAOrx）無類似變化。

因此，mRE-vmZI回路在睡眠壓力下發生動態突觸可塑性，其強度與SD時長和睡眠需求匹配，并通過活動依賴性結構重組直接調控穩態睡眠。

睡眠需求增強mRE-vmZI突觸連接的功能證據

研究通過eGRASP技術檢測興奮性mRE神經元（CaMKIIα+）與vmZILhx6細胞間的突觸連接，發現6小時SD顯著增加vmZI區的GFP信號強度和面積（圖7B-D），表明睡眠剝奪直接強化了mRE→vmZI的突觸結構。在SD后，光激活mRE神經元誘導更多vmZI細胞的Fos表達（圖7E-F），提示突觸傳遞效率提升。在Vglut2-Cre; Lhx6-eGFP小鼠腦切片中，SD前mRE→vmZI連接較弱，而SD后更多vmZI神經元對mRE末梢光刺激產生響應（圖7I），證實功能突觸數量增加。

以上結果表明，睡眠壓力通過結構性（eGRASP）和功能性（Fos/電生理）重塑，特異性增強mRE→vmZI通路的突觸連接，為睡眠穩態調控提供突觸可塑性基礎。

CaMKII信號通路介導mRE神經元的睡眠穩態調控

CaMKIIα T286自磷酸化（活化標志）在SD后的mRE神經元中顯著增加，與睡眠需求正相關。SD還增強突觸后GluA1 S831磷酸化，而CaMKII抑制劑（CaM-KIIN）可阻斷這一現象，表明CaMKII通過調控突觸可塑性響應睡眠壓力。抑制CaMKII（CaM-KIIN）顯著減少SD誘導的mRE軸突終末形態可塑性（vmZI區GFP+突觸密度降低，圖8B-C）。CaMKII抑制后，光遺傳刺激mRE神經元對vmZI細胞的激活效率下降（圖8D-F），證實其調控突觸傳遞。mRE神經元CaMKII抑制不影響正常睡眠（圖8G）。SD后，CaMKII抑制小鼠的NREM時長、鞏固性及δ功率顯著降低（圖8H-K），提示CaMKII特異性調控睡眠壓力代償。化學遺傳學激活mRE神經元誘導的持續NREM睡眠在CaMKII抑制后3-6小時被削弱（圖8M-P），表明CaMKII維持睡眠的后期穩態效應。

因此，CaMKII通過磷酸化級聯反應，將mRE神經元的電活動轉化為突觸可塑性（如GluA1修飾、軸突分支增強），從而促進vmZI通路的功能強化，最終驅動深度NREM睡眠的恢復。

總結

本研究揭示了一個關鍵神經回路——mREVglut2→vmZILhx6通路，其活動在睡眠需求（如睡眠剝奪，SD）下顯著增強，并驅動深度、持續的恢復睡眠（RS）。

睡眠需求依賴性可塑性：SD通過CaMKII信號觸發mRE-vmZI突觸的形態與功能強化（如軸突分支增多、突觸傳遞效率提升），從而增強回路連接性。

功能驗證：激活該回路可誘導類似RS的延長性NREM睡眠，而抑制CaMKII或消融vmZI神經元則削弱睡眠恢復。

獨特時間動力學：即使短暫激活mRE神經元（如光遺傳刺激）也能引發延遲但持續的睡眠效應，提示其通過突觸可塑性調控睡眠穩態，而非直接快速誘導睡眠。

這一發現填補了睡眠穩態分子-環路機制的空白，為理解睡眠壓力積累與釋放提供了新方向。

研究展望

睡眠受到內在調節機制的嚴格控制，睡眠不足會導致持續且穩固的恢復性睡眠。然而，睡眠的內在調節機制背后的路徑仍不為人知。該研究描述了哺乳動物體內首個內在睡眠調節回路。該回路由位于聯合核內的一群興奮性神經元組成，這些神經元受睡眠需求的激活而被激活，并且對于恢復性睡眠是必需的。對這些神經元的刺激首先會觸發睡眠前的行為，隨后是深度且持續的睡眠，這種睡眠狀態可以持續數小時。這種睡眠模式類似于恢復性睡眠，表明即使在沒有睡眠負債的動物中，聯合核神經元的激活也會產生睡眠壓力。在睡眠剝奪期間抑制這個回路會擾亂恢復性睡眠的數量和質量，這表明其活動信號了睡眠需求的積累。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm8203