[논문 리뷰] SWS promoting MHb-IPN-MRN circuit opposes the theta promoting circuit, active wake and REM sleep

Karin Vadovičová|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 05.

Sleep and Wakefulness Research참고 문헌 104인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 중격핵(ventral tegmental area)과 대뇌피질 사이의 새로운 신경 회로인 MHb-IPN-MRN을 제안하며, 세로토닌 수치를 증가시키고 아세틸콜린 수치를 감소시켜, 활성 각성 및 REM 수면과 관련된 테타 파동 생성 회로를 억제함으로써 느린파수면(SWS)을 촉진한다. MHb-IPN-MRN 경로는 각성 및 REM 수면을 촉진하는 영역들, 예를 들어 상부마그누스핵과 LDT를 상호 억제함으로써 수면-각성 조절 및 기억 통합 상태의 핵심 조절자로 위치한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 중격핵(MHb)에서 간뇌의 어두운 뇌간핵(IPN)을 거쳐 라프레 마그누스핵(MRN)에 이르는 새로운 신경 회로를 규명하고 특성화하는 것.
• MHb-IPN-MRN 경로가 수면-각성 상태, 특히 느린파수면(SWS) 조절에 미치는 기능적 역할을 탐구하는 것.
• 이 회로가 활성 각성 및 REM 수면과 관련된 테타 파동 생성 시스템과 어떻게 상호작용하는지 조사하는 것.
• 수면-각성 조절에 있어 SWS 촉진 회로인 MHb-IPN-MRN 경로와 상부마그누스핵(SUM) 및 내측 시냅스핵(MS) 중심의 테타 파동 촉진 회로 간의 상호 억제 관계를 제안하는 것.

제안 방법

• 확산 토너스 영상(DTI), 추적 연구 및 신경해부학적 데이터베이스의 기존 해부학적 연결 정보를 통합하여 MHb-IPN-MRN 경로를 매핑하는 것.
• 시냅스, MHb, IPN 및 MRN의 기존 기능적 데이터를 활용하여 신경조절 기능 역할을 추론하는 것.
• SWS 촉진 경로인 MHb-IPN-MRN 경로와 SUM 및 MS를 포함한 테타 파동 생성 회로 간의 상호 억제를 기반으로 한 회로 기반 모델을 제안하는 것.
• 공통된 억제성 피드백을 통해 고아세틸콜린 상태(테타/활성 각성/REM 수면)와 저아세틸콜린 상태(SWS) 간의 상호 기능적 반대 관계를 추론하는 것.
• 신경해부학적 및 신경화학적 증거를 활용하여 MHb-IPN-MRN 회로가 MRN에서 세로토닌 분비를 증가시킬 것으로 예측하는 것.
• 회로 상호작용의 모델링을 통해 LDT, PnO 및 불확실핵과 같은 각성 및 REM 수면 촉진 영역의 억제 메커니즘을 설명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MHb-IPN-MRN 회로는 느린파수면(SWS) 조절에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 중격핵(MHb)은 히포크암프스 및 시냅스와의 연결성을 고려할 때 수면-각성 조절 및 기억 처리에 어떤 기능적 역할을 하는가?
• RQ3 MHb-IPN-MRN 경로는 상부마그누스핵(SUM) 및 내측 시냅스핵(MS)을 포함한 테타 파동 생성 회로와 어떻게 상호작용하는가?
• RQ4 SWS 촉진 회로는 활성 각성 및 REM 수면 상태를 억제하는 기전은 무엇인가?
• RQ5 MHb-IPN-MRN 경로는 어떤 특정 뇌 영역을 상호 억제함으로써 SWS를 유지하는가?

주요 결과

• MHb-IPN-MRN 회로는 MRN에서 세로토닌 분비를 증가시키고 아세틸콜린 농도를 감소시킴으로써 SWS를 촉진하는 것으로 제안된다.
• 이 SWS 촉진 회로는 각성 및 REM 수면 동안 활성화되는 테타 파동 생성 회로를 상호 억제한다.
• MHb-IPN-MRN 경로는 LDT, PnO, 불확실핵 및 외측 히포크라모스핵과 같은 주요 각성 및 REM 수면 촉진 영역을 억제할 가능성이 있다.
• 이 회로는 고아세틸콜린 상태(테타/활성 각성/REM 수면)에서 저아세틸콜린 상태(SWS)로의 전환에 신경해부학적 기반을 제공한다.
• 이 모델은 시냅스를 통해 히포크람프스에서 MHb로의 입력이 이 회로의 조절을 통해 SWS 기간 동안 기억 통합을 조절할 수 있음을 설명한다.
• 제안된 회로는 SWS가 기억 재활성화 및 특히 후측성 및 전두엽皮질에서의 코티컬 통합을 촉진한다는 이론을 뒷받침한다.