斑马鱼睡眠的神经特征
发布时间:
2019-08-02
使用行为标准，睡眠在动物界的各个门类中都已经被描述。睡眠的定义也扩展到包括了人类主要的电生理学特征，例如，慢波睡眠和快速眼动睡眠。这些神经元特征在哺乳动物、鸟类和蜥蜴中都有发现，但目前还不清楚是否存在于非羊膜脊椎动物如鱼类和两栖类动物中。
近日，来自美国和日本的科学家，在nature发表了一篇名为《Neural signatures of sleep in zebrafish》的文章，介绍了他们关于睡眠的最新研究成果。他们针对斑马鱼发展了无创荧光多导睡眠图，使用无偏好的，全脑范围的活动记录，结合眼球运动，肌肉动力学和心率的评估，发现斑马鱼中至少有两个主要的睡眠特征。他们称之为慢爆发睡眠和传播波睡眠，分别与慢波睡眠和快速眼动睡眠有共同之处。此外，他们发现黑色素浓缩激素信号(参与哺乳动物睡眠)通过激活室管膜细胞调节斑马鱼的传播波睡眠信号和睡眠总量。
他们选取了一到两个星期大的斑马鱼幼鱼，记录在睡眠过程中，背苍白中表达钙指示剂GCaMP6F的神经元的活动。
他们发现进行了经过睡眠剥夺后，睡眠中的的斑马鱼的背苍白展现了一种高度同步的不断被间歇打破的爆发性活动。而未经睡眠剥夺的斑马鱼在醒着的时候，端脑中高度自发的活动发生在背苍白的前外侧区域且不同步。
图一. 睡眠剥夺导致斑马鱼背苍白的慢爆发活动
他们又使用催眠药处理未经睡眠剥夺的斑马鱼，在背苍白中记录到了三种神经元特征：慢爆发睡眠，广泛沉默和从尾到吻的波形。
图二. 催眠药对端脑活动的不同影响
他们发展了一个可以自定义的光片显微镜成像平台和在脑、肌肉表达GCaMP7，在心脏表达GFP的转基因斑马鱼系，来进行荧光多导睡眠图测量。与之前的端脑成像一致，睡眠剥夺和药物处理的斑马鱼在荧光多导睡眠图中，背苍白都显示出同步性，同时伴随着肌肉、眼和心脏活动的减弱。
在清醒状态下，荧光多导睡眠图测量到频繁的眼跳跃，活跃的肌肉紧张和大约每分钟200次的心跳。而在传播波睡眠状态下，肌紧张快速完全消失，自然的眼运动转变为缓慢的转动，心跳也下降至90次每分钟。传播波睡眠相较快速眼动睡眠的一个显著区别是哺乳动物睡眠的快速眼动特征的缺乏。
图三. 荧光多导睡眠图显示慢爆发睡眠和传播波睡眠
研究人员鉴定出了一个大的细胞亚群，它们是相同的室周细胞类型，在传播波睡眠出现前被激活，并且随着波在脑中的传播而失活。同时，在睡眠和皮肤色素的调节中，室血管膜细胞可以被MCH激活。纤毛室管膜细胞也表达MCH和MCHR1。研究人员将MCH注射入转基因斑马鱼的脑室内，发现室周细胞内的GCaMP荧光较模拟或只注入载体的鱼显著增加。
图四. MCH对斑马鱼的影响
他们第一次在硬骨鱼类中鉴别出了睡眠的神经特征，表明在4.5亿年前，脊椎动物大脑中可能出现了常见的睡眠神经特征。
参考文献：Leung, L. C.; Wang, G. X.; Madelaine, R.; Skariah, G.; Kawakami, K.; Deisseroth, K.; Urban, A. E.; Mourrain, P., Neural signatures of sleep in zebrafish. Nature 2019, 571 (7764), 198-204.
