2020年1月24日，《Science》發(fā)表了著名神經(jīng)科學(xué)家丹楊的一篇研究。該研究發(fā)現(xiàn)，大腦基底核黑質(zhì)內(nèi)存在一種抑制性神經(jīng)元，這種神經(jīng)元同時(shí)掌控著小鼠的睡眠和運(yùn)動抑制。

睡眠和運(yùn)動

睡眠是一個周而復(fù)始的圈。

睡眠是一個循環(huán)，包括兩個階段：非快速眼動睡眠和快速眼動睡眠

睡眠的圈起始于非快速眼動睡眠(NREM,Non-rapid eye movement sleep）。非快速眼動睡眠階段由淺入深，依次經(jīng)歷淺睡眠、中度睡眠和深度睡眠，最終到達(dá)睡眠的另一個階段：快速眼動睡眠。

非快速眼動階段，尤其是快速眼動階段，骨骼肌被不同程度地抑制著，相應(yīng)的，運(yùn)動也被抑制著。

睡眠和運(yùn)動抑制的同步發(fā)生，讓科學(xué)家意識到，也許兩者有著共用的神經(jīng)環(huán)路?？茖W(xué)家將目光聚焦到大腦基底核黑質(zhì)網(wǎng)狀部（SNr，substantia nigra pars reticulata），SNr內(nèi)有一群抑制性神經(jīng)元，它們可以強(qiáng)烈抑制運(yùn)動，同時(shí)伸出軸突到大腦覺醒相關(guān)的腦區(qū)。

為了驗(yàn)證這一結(jié)論，科學(xué)家首先觀測了小鼠自然情景下睡眠和運(yùn)動之間的狀態(tài)切換。

自然狀態(tài)下小鼠睡眠和運(yùn)動狀態(tài)的切換

通過腦電、肌電以及錄像數(shù)據(jù)，科學(xué)家將小鼠的狀態(tài)歸為四類：移動、非移動性運(yùn)動（比如吃東西、梳理毛發(fā)、姿勢調(diào)整等）、安靜的清醒狀態(tài)、睡眠。這四種狀態(tài)的運(yùn)動量依次減少。

依據(jù)腦電、肌電和錄像，小鼠的狀態(tài)可分為四種

自然情況下，小鼠的狀態(tài)轉(zhuǎn)變通常在相鄰狀態(tài)之間進(jìn)行。例如，從移動到梳理毛發(fā)，從梳理毛發(fā)到安靜，從安靜到睡眠。而移動到睡眠，非移動運(yùn)動到睡眠的狀態(tài)切換從來不會發(fā)生。從運(yùn)動到睡眠，中間需要一個安靜的睡眠準(zhǔn)備階段。

黑質(zhì)網(wǎng)狀部GAD2神經(jīng)元抑制運(yùn)動，起始睡眠

黑質(zhì)是大腦底部的一個核團(tuán)，屬于中腦，同時(shí)也是基底核的一部分。

人腦中的黑質(zhì)

黑質(zhì)內(nèi)神經(jīng)元富含有黑色素（主要是黑質(zhì)致密部的神經(jīng)元），在腦切片上呈黑色，因此而得名。

小鼠黑質(zhì)

黑質(zhì)網(wǎng)狀部是黑質(zhì)的一個亞區(qū)，其內(nèi)神經(jīng)元較為稀疏，顏色也淺。

黑質(zhì)網(wǎng)狀部（Substantia Nigra Pars Reticulata）

黑質(zhì)網(wǎng)狀部內(nèi)的神經(jīng)元生成和分泌一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)GABA（γ-胺基丁酸，γ-Aminobutyric acid），可抑制下游神經(jīng)元放電。黑質(zhì)網(wǎng)狀部的GABA能神經(jīng)元中，有一種亞類，表達(dá)谷氨酸脫羧酶2（GAD2）。在空間上，這類GABA神經(jīng)元位于黑質(zhì)網(wǎng)狀部內(nèi)側(cè)。

GAD2神經(jīng)元位于黑質(zhì)網(wǎng)狀部內(nèi)側(cè)（紅色）

當(dāng)小鼠從一個運(yùn)動量大的狀態(tài)轉(zhuǎn)變到運(yùn)動量小的狀態(tài)時(shí)，GAD2神經(jīng)元放電增加。例如，在運(yùn)動終止時(shí)，在睡眠起始時(shí)。

運(yùn)動終止和睡眠起始時(shí)，GAD2神經(jīng)元放電頻率增高

很有可能，GAD2神經(jīng)元可以抑制運(yùn)動，起始NREM睡眠。為了驗(yàn)證這一假想，科學(xué)家在GAD2神經(jīng)元內(nèi)表達(dá)了一種光遺傳蛋白CHR2。CHR2對藍(lán)光敏感，它本身也是一種離子通道，當(dāng)藍(lán)光照耀時(shí)，離子通道打開，正離子內(nèi)流，引起神經(jīng)元放電。

同時(shí)激活左右半球的黑質(zhì)網(wǎng)狀部GAD2神經(jīng)元，會顯著地減少小鼠的運(yùn)動，這跟以往的研究結(jié)果一致。新穎的結(jié)果是，激活GAD2神經(jīng)元，可大大增加睡眠的起始次數(shù)。

藍(lán)光照射期間，小鼠運(yùn)動減少（LM和MV），睡眠增加（SL）

請看更直觀的動圖：

藍(lán)光（左上藍(lán)色圓）激活黑質(zhì)GAD2神經(jīng)元后不久，小鼠開始睡眠（SL）。

有趣的是，即使GAD2神經(jīng)元的激活可以增加小鼠的NREM睡眠起始，但這些睡眠都是從安靜狀態(tài)轉(zhuǎn)變而來。GAD2神經(jīng)元的激活并不能讓運(yùn)動中的小鼠直接睡去，只會讓小鼠進(jìn)入運(yùn)動量更少的相近狀態(tài)。例如，從來回跑動到停下來梳理毛發(fā)，從梳理毛發(fā)到安靜不動，然后才能進(jìn)入睡眠。

相反，激光抑制黑質(zhì)網(wǎng)狀部GAD2神經(jīng)元的放電，則會顯著增加小鼠運(yùn)動，減少睡眠。

激光抑制黑質(zhì)網(wǎng)狀部GAD2神經(jīng)元期間，小鼠運(yùn)動增加（LM和MV），睡眠減少（SL）

以上證據(jù)表明，黑質(zhì)網(wǎng)狀部GAD2抑制性神經(jīng)元既能抑制運(yùn)動，又能起始睡眠。

一個GAD2神經(jīng)元通過軸突分支可實(shí)現(xiàn)同時(shí)抑制運(yùn)動和起始睡眠

黑質(zhì)網(wǎng)狀部GAD2神經(jīng)元不僅放出軸突到運(yùn)動控制腦區(qū)，例如運(yùn)動丘腦、上丘運(yùn)動層、中腦運(yùn)動區(qū)等，同時(shí)還投射到調(diào)節(jié)大腦狀態(tài)的腦區(qū)，如中縫背核、藍(lán)斑核、腹側(cè)被蓋區(qū)等。這是GAD2神經(jīng)元行使功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。GAD2神經(jīng)元可通過抑制運(yùn)動腦區(qū)，抑制大腦覺醒中心，分別來終止運(yùn)動、起始睡眠。

黑質(zhì)網(wǎng)狀部GAD2神經(jīng)元投射廣泛，即包括運(yùn)動腦區(qū)，又包括調(diào)整大腦狀態(tài)的覺醒中心

GAD2神經(jīng)元向兩群功能腦區(qū)投射方式可能有兩種，其一，一部分GAD2神經(jīng)元投向運(yùn)動腦區(qū)，另一部分投向覺醒中心；其二，同一個神經(jīng)元的軸突分叉，一支伸向運(yùn)動腦區(qū)，另一支伸向覺醒中心。

神經(jīng)元軸突可分支（Collateral）

為了弄清GAD2神經(jīng)元采用哪種投射方式，科學(xué)家將一種特殊的逆標(biāo)病毒注射進(jìn)轉(zhuǎn)基因小鼠的運(yùn)動丘腦，這種方法可分離出投射至運(yùn)動丘腦的GAD2黑質(zhì)網(wǎng)狀部神經(jīng)元，使其通體表達(dá)熒光蛋白。如果投射至運(yùn)動丘腦和覺醒中心的GAD2神經(jīng)元是兩撥不同的神經(jīng)元，那么，覺醒中心就不應(yīng)該看到熒光。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻恰恰相反。在其他運(yùn)動腦區(qū)自己覺醒中樞，都觀察到大量帶熒光的神經(jīng)纖維。這就說明，一個GAD2神經(jīng)元既可以投射至運(yùn)動腦區(qū)，同時(shí)也可以投射至覺醒中心，其方式是軸突分支。

軸突投射至運(yùn)動丘腦的GAD2神經(jīng)元，也向覺醒中心藍(lán)斑核（LC）中縫背核（DR）等伸出軸突

總結(jié)

帕金森癥識影響運(yùn)動系統(tǒng)的神經(jīng)退化疾病，它最廣為人知的癥狀是顫抖，一種常見的緩解方法是深度腦刺激。電流刺激大腦深處的基底核，不但抑制了病人的顫抖，還大大改善了患者的睡眠。但這一巧合長久以來并沒有得到合理的解釋。

基底核

而丹楊的這篇研究，解釋了這一現(xiàn)象。

位于基底核的黑質(zhì)網(wǎng)狀部，含有一類GAD2抑制性神經(jīng)元。它們長長的軸突中途分叉，一支伸向運(yùn)動腦區(qū)，一支伸向大腦狀態(tài)調(diào)節(jié)中心。深度腦刺激電流激活這類神經(jīng)元，可以實(shí)現(xiàn)抑制運(yùn)動、促進(jìn)睡眠的雙重作用。