[論文レビュー] SWS promoting MHb-IPN-MRN circuit opposes the theta promoting circuit, active wake and REM sleep

Karin Vadovičová|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2015

Sleep and Wakefulness Research参考文献 104被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、セロトニンを増加させ、アセチルコリンを減少させることで、アクティブな覚醒状態およびレム睡眠に関連するトータルリズム発生回路を抑制することにより、スローウェーブ睡眠（SWS）を促進する画期的な神経回路—MHb-IPN-MRN—を提案する。MHb-IPN-MRN経路は、上縫頭核およびLDTを含む覚醒およびレム睡眠促進領域を逆方向に抑制するため、睡眠覚醒状態および記憶統合状態の主要な調節因子として位置づけられる。

ABSTRACT

Hippocampus was by multisynaptic axonal tracts linked to medial habenula in my DTI study. These tracts linked hippocampus to septum, and amygdala to BNST. Septal and BNST axons passed by anteromedial thalamic nucleus to MHb, which projected to pineal gland. Question is what is the MHb doing and why it receives information from hippocampus via septum? This study explores the MHb connectivity, predicts its functional role and how it is linked to memory. Combination of known findings about the septum and MHb connectivity and function led to this circuit-based idea that posterior septum activates MHb, MHb activates IPN,and IPN stimulates MRN and its serotonin release. Proposed idea is that this MHb-IPN-MRN circuit promotes slow wave sleep (SWS), high serotonin and low acetylcholine state. My prediction is that this SWS-promoting circuit reciprocally suppresses the theta oscillations promoting circuit, linked to high acetylcholine levels in brain, and formed by supramamillary area projections to the medial septum (MS) that induces theta rhythm in hippocampus and other theta-coupled regions. The MHb-IPN-MRN pathway likely inhibits, possibly reciprocally,some regions that have stimulating input to the theta-generating SUM and MS, such as the wake promoting nucleus incertus, posterior and lateral hypothalamus and LDT, but also the REM sleep inducing neurons in LDT and PnO. Thus, proposed SWS- promoting circuit attenuates the output of theta-promoting regions, both the active wake-on and REM-on regions. The theta rhythm in wake state is linked to recording and binding information with their spatio-temporal and relational context by hippocampus, while the SWS supports rest and replay of hippocampaly stored information and their cortical reactivations, e. g. in retrosplenial cortex linked to autobiographic memory or in prefrontal cortex that can combine information from any source.

研究の動機と目的

• 内側縫頭核（MHb）から縫頭背核（MRN）へ至る新たな神経回路を同定・特徴付けること。
• MHb-IPN-MRN経路が睡眠覚醒状態、特にスローウェーブ睡眠（SWS）を調節する機能的役割を調査すること。
• この回路がアクティブな覚醒およびレム睡眠に関与するトータルリズム発生系とどのように相互作用するかを調査すること。
• 上縫頭核（SUM）および内側隔核（MS）を中核とするトータルリズム発生回路と、SWS促進型のMHb-IPN-MRN経路との間で、逆方向の抑制的関係が成立することを提唱すること。

提案手法

• 拡散テンソル画像法（DTI）、トレーシング研究、神経解剖学データベースの既存知見を統合し、MHb-IPN-MRN経路をマッピングすること。
• 隔核、MHb、IPN、MRNに関する既存の機能的データを用いて、神経調節における機能的役割を推定すること。
• SWS促進型のMHb-IPN-MRN経路と、SUMおよびMSを含むトータルリズム発生回路との間で、逆方向の抑制的関係を仮定した回路ベースのモデルを提示すること。
• 共有される抑制性投射を通じて、高アセチルコリン（トータルリズム／アクティブな覚醒／レム睡眠）状態と低アセチルコリン（SWS）状態との間で機能的拮抗が生じることを推論すること。
• 神経解剖学的および神経化学的証拠を用いて、MHb-IPN-MRN回路がMRNにおけるセロトニン放出を促進すると予測すること。
• 回路相互作用のモデリングにより、LDT、PnO、および不確実核などの覚醒およびレム睡眠オン領域の抑制を説明すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MHb-IPN-MRN回路は、スローウェーブ睡眠（SWS）の調節にどのように寄与するか？
• RQ2 内側縫頭核（MHb）は、海馬および隔核と接続していることから、睡眠覚醒および記憶処理において果たす機能的役割は何か？
• RQ3 MHb-IPN-MRN経路は、上縫頭核（SUM）および内側隔核（MS）を含むトータルリズム発生回路とどのように相互作用するか？
• RQ4 SWS促進回路が、アクティブな覚醒およびレム睡眠状態を抑制するメカニズムは何か？
• RQ5 MHb-IPN-MRN経路がSWSを維持するために、どの特定の脳領域を逆方向に抑制するか？

主な発見

• MHb-IPN-MRN回路は、MRNにおけるセロトニン放出を増加させるとともにアセチルコリンレベルを低下させることで、スローウェーブ睡眠（SWS）を促進すると提唱される。
• このSWS促進回路は、覚醒およびレム睡眠時に活性化するトータルリズム発生回路を逆方向に抑制する。
• MHb-IPN-MRN経路は、LDT、PnO、不確実核、および側索内側脳下垂体を含む、覚醒およびレム睡眠オン領域を抑制すると考えられる。
• この回路は、高アセチルコリン（トータルリズム／アクティブな覚醒／レム睡眠）状態から低アセチルコリン（SWS）状態への移行の神経解剖学的基盤を提供する。
• このモデルは、海馬からの入力が隔核を通じてMHbに至ることで、SWS中に記憶統合がこの回路の調節を通じて制御される可能性を説明する。
• 提案された回路は、SWSが記憶再活性化および皮質統合を促進し、特に後頭頂皮質および前頭前皮質で顕著であるという考えを支持する。