[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出了一条新颖的神经环路——MHb-IPN-MRN，通过增加血清素并减少乙酰胆碱，促进慢波睡眠（SWS），从而抑制与活跃清醒和快速眼动睡眠相关的theta节律生成环路。MHb-IPN-MRN通路与促进清醒和REM睡眠的区域（包括穹窿背核和基底前核）形成相互抑制关系，使其成为调节睡眠-觉醒周期及记忆巩固状态的关键调控者。

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.

研究动机与目标

• 确定并表征从内侧上纵束（MHb）经中脑被盖核（IPN）至中缝大核（MRN）的新型神经环路。
• 探讨MHb-IPN-MRN通路在调节睡眠-觉醒状态（尤其是慢波睡眠，SWS）中的功能作用。
• 研究该环路如何与参与活跃清醒和REM睡眠的theta节律生成系统相互作用。
• 提出SWS促进型MHb-IPN-MRN环路与以穹窿背核（SUM）和内侧隔核（MS）为中心的theta节律促进环路之间存在相互抑制关系。

提出的方法

• 整合扩散张量成像（DTI）、示踪研究和神经解剖数据库中的已知解剖连接信息，绘制MHb-IPN-MRN通路。
• 利用关于隔核、MHb、IPN和MRN的功能数据，推断其在神经调制中的功能角色。
• 基于SWS促进型MHb-IPN-MRN通路与涉及SUM和MS的theta节律生成环路之间的相互抑制，提出环路为基础的模型。
• 通过共享的抑制性投射推断高乙酰胆碱（theta/活跃清醒/REM）状态与低乙酰胆碱（SWS）状态之间的功能拮抗关系。
• 利用神经解剖学和神经化学证据预测MHb-IPN-MRN环路可增强MRN中的血清素释放。
• 建模环路相互作用，以解释对LDT、PnO和不确定核等唤醒和REM促进区域的抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 MHb-IPN-MRN环路如何参与调节慢波睡眠（SWS）？
• RQ2 鉴于内侧上纵束（MHb）与海马体和隔核的连接，其在睡眠-觉醒和记忆处理中的功能角色是什么？
• RQ3 MHb-IPN-MRN通路如何与涉及穹窿背核（SUM）和内侧隔核（MS）的theta节律生成环路相互作用？
• RQ4 SWS促进环路通过何种机制抑制活跃清醒和REM睡眠状态？
• RQ5 哪些特定脑区被MHb-IPN-MRN通路相互抑制以维持SWS？

主要发现

• 提出MHb-IPN-MRN环路通过增强MRN中的血清素释放并降低乙酰胆碱水平，促进慢波睡眠（SWS）。
• 该SWS促进环路与在清醒和REM睡眠期间活跃的theta节律生成环路形成相互抑制。
• MHb-IPN-MRN通路可能抑制关键的唤醒和REM促进区域，包括LDT、PnO、不确定核和外侧下丘脑。
• 该环路为从高乙酰胆碱（theta/活跃清醒/REM）状态向低乙酰胆碱（SWS）状态的转变提供了神经解剖学基础。
• 该模型解释了海马体通过隔核向MHb的输入，可能通过调节此环路来调控SWS期间的记忆巩固。
• 所提出的环路支持SWS促进记忆再激活和皮层整合的观点，尤其在后扣带皮层和前额叶皮层中。