《科学》：睡饱解千愁！西京医院联合帝国理工，首次破解压力应激促进睡眠、改善焦虑的神经机制

每当碰到第二天有考试、汇报等重要事件时，晚上你是否会躺在床上辗转反侧、无法入睡呢？相信应该大家都有这样的体验吧。

然而科学家发现，在啮齿类动物中，某些类型的压力，如社会失败压力（SDS），却可以促使其入睡更快、睡眠时间更长，且这种促进睡眠的作用或可起到抵抗压力的作用[1, 2]。然而，SDS所致压力是如何促进睡眠的，这其中的机制一直是个未解之谜。

近日，来自英国帝国理工学院的Nicholas P. Franks、William Wisden和喻晓，联合中国空军军医大学西京医院董海龙团队，于《科学》杂志发表重磅文章，破解了SDS促进小鼠睡眠的机制[3]。

他们的研究发现，中脑腹侧被盖区γ-氨基丁酸-生长抑素能神经元可感受小鼠受到的压力刺激，进而通过下丘脑外侧区，延长小鼠非快速眼动（NREM）和快速动眼（REM）睡眠，从而起到减缓小鼠焦虑，及抑制下丘脑室旁核分泌促肾上腺皮质激素释放激素（机体在应激状态下会通过下丘脑-垂体-肾上腺轴分泌皮质醇，在短期内可提高机体应激能力，然而长期处于高皮质醇状态是有害的），使小鼠通过睡眠来恢复精神和身体功能。

这一研究成果为治疗焦虑症提供了新的策略。帝国理工学院的喻晓与西京医院赵广超主治医师为论文的共同第一作者。

论文首页截图

研究人员首先构建了小鼠SDS模型及多个不同的对照组：SDS组（将小鼠放入具有攻击性常驻鼠的笼子里，受到常驻鼠的“霸凌”），对照组1（将小鼠放入具有攻击性常驻鼠的笼子里，但用透明挡板将两组小鼠分开），对照组2（将小鼠放入不具有攻击性常驻鼠的笼子里），对照组3（车轮或跑步机上运动1小时），对照组4（将小鼠放入有新物体的陌生环境）。

结果发现，相比于对照组小鼠，SDS组小鼠的NREM潜伏期缩短，NREM（主要恢复体力）和REM（主要恢复精力）睡眠时间均明显增加（NREM和REM交替一次为一个睡眠周期，两种时期循环往复，每晚通常有4-5个睡眠周期），表明SDS的确可以起到促进小鼠睡眠的作用。

SDS组小鼠相比于对照组小鼠NREM和REM睡眠时间均明显增加

接着，研究人员研究了睡眠对SDS小鼠的影响，相比在SDS后有充足睡眠的小鼠，被轻度睡眠剥夺的SDS小鼠明显更焦虑。对于睡眠充足的SDS小鼠，其升高的皮质醇浓度在60分钟内即恢复到基线水平，而对于轻度睡眠剥夺SDS小鼠在相同时间点未出现皮质醇浓度的降低。有趣的是，对于睡眠剥夺SDS小鼠，在使用皮质醇合成抑制剂后，其焦虑状态并未得到改善。

为了探索SDS促进睡眠的神经机制，研究人员通过cFOS（该基因在中枢神经系统的基础表达水平很低，但在应激状态下可被快速转录表达）在全脑水平标记了在SDS后激活的神经元，这其中就包括中脑腹侧被盖区（VTA），该区域被认为与应激反应有关[4]，且可调控睡眠与觉醒[5]。

通过进一步分析发现，在VTA中因SDS而激活的细胞（cFOS阳性），主要表达γ-氨基丁酸（GABA）能标志Vgat（60%）或GABA（57%），而相对较少的细胞表达谷氨酸能标志Vglut2（20%）或多巴胺能标志酪氨酸羟基酶（TH）（10%）。在随后的研究中，研究人员将重点放在VTA^Vgat神经元上，因为只有该类神经元可诱导睡眠[5]。

SDS激活VTA中γ-氨基丁酸能神经元

通过基于GCaMP6（钙离子指示剂）的光纤记录技术，研究人员发现，在经历SDS后，VTA^Vgat神经元可持续激活约5小时，与SDS后延长的睡眠时间吻合，而其他对照组的小鼠VTA^Vgat神经元并没有明显激活，表明VTA^Vgat神经元可能就是SDS促进睡眠的关键一环。

但VTA^Vgat神经元有多个亚群，到底是哪个亚群在起作用呢？

通过化学遗传学技术（DREADDs技术），研究人员发现被SDS激活的VTA^Vgat神经元仅占所有VTA^Vgat神经元群体的15%，在抑制这部分神经元后，SDS的促进睡眠作用消失了，表明这一小部分细胞即是真正起作用的神经元。

在这部分VTA^Vgat神经元中，大部分神经元（42%）表达vgat/生长抑素（sst），部分神经元表达vgat/pv（10%）或仅表达vgat（32%）。虽然VTA^Sst神经元和VTA^Pv神经元在SDS后均有瞬时的反应，但VTA^Sst神经元在SDS后反应更强烈，且更持久。在将VTA^Sst神经元消融后，SDS促进睡眠的作用消失。

这些都表明，VTA^Vgat神经元的亚群中，VTA^Vgat-Sst神经元亚群起到关键作用。

抑制被SDS激活的VTA^Vgat神经元亚群可抵消SDS的促进睡眠所用

紧接着，研究人员试图寻找VTA^Vgat-Sst神经元下游的神经回路，通过检测发现，只有投射到下丘脑外侧（LH）的VTA^Vgat和VTA^Sst神经元终末有钙信号的增加，并通过化学遗传学和光遗传学技术进行验证，确认了VTA^Vgat-Sst→LH回路为SDS促进睡眠的关键。

以上实验证明了SDS所致VTA^Vgat-Sst→LH回路的激活即是促进小鼠睡眠的原因，那该回路的激活是否也是小鼠焦虑减缓的关键呢？

经过实验验证，当将VTA^Sst神经元消融或通过化学遗传学技术抑制VTA^Vgat神经元后（即破坏VTA^Vgat-Sst→LH回路），受SDS刺激的小鼠即使睡眠充足，焦虑症状也没有改善。只有当VTA^Vgat-Sst→LH回路完整，且小鼠获得充足的SDS所致睡眠时，小鼠才可有效的抵抗SDS所带来的焦虑。这表明VTA^Vgat-Sst→LH回路对小鼠焦虑症状的改善也起到重要作用。

VTA^Vgat-Sst→LH回路对小鼠焦虑症状的改善也起到重要作用

同时，VTA^Vgat-Sst→LH回路对于小鼠升高皮质醇水平的恢复也起到重要作用。研究发现，VTA^Vgat-Sst神经元可向下丘脑室旁核（PVH）神经元发出轴突，在受到SDS刺激后，可抑制PVH分泌促肾上腺皮质激素释放激素，从而使SDS后小鼠升高的皮质醇水平恢复到基线。在将VTA^Vgat-Sst→LH回路抑制后，SDS后小鼠升高的皮质醇水平一直处于高位。

总的来说，该研究首次破解了SDS促进小鼠睡眠并改善其焦虑的神经机制，在这个神经回路中，VTA^Vgat-Sst神经元为核心，它在促进睡眠和减少焦虑的同时，还可抑制下丘脑室旁核产生促肾上腺皮质激素释放激素，从而降低了皮质醇的浓度。因此，靶向VTA^Vgat-Sst神经元可能会为治疗焦虑症提供一条新的策略。

机制示意图

不过，这个研究也存在一些不足，如VTA^Vgat-Sst神经促进睡眠和减少焦虑的下游通路通路尚不清楚，尚需要进一步的研究。

参考文献

1.Franks NP, Wisden W: The inescapable drive to sleep: Overlapping mechanisms of sleep and sedation. Science 2021, 374(6567):556-559.

2.Feng X, Zhao HY, Shao YJ, Lou HF, Zhu LY, Duan S, Yu YQ: Anxiolytic Effect of Increased NREM Sleep after Acute Social Defeat Stress in Mice. Neurosci Bull 2020, 36(10):1137-1146.

3.Yu X, Zhao G, Wang D, Wang S, Li R, Li A, Wang H, Nollet M, Chun YY, Zhao T et al: A specific circuit in the midbrain detects stress and induces restorative sleep. Science 2022, 377(6601):63-72.

4.Jennings JH, Sparta DR, Stamatakis AM, Ung RL, Pleil KE, Kash TL, Stuber GD: Distinct extended amygdala circuits for divergent motivational states. Nature 2013, 496(7444):224-228.

5.Yu X, Li W, Ma Y, Tossell K, Harris JJ, Harding EC, Ba W, Miracca G, Wang D, Li L et al: GABA and glutamate neurons in the VTA regulate sleep and wakefulness. Nat Neurosci 2019, 22(1):106-119.