Cercetările asupra circuitelor cerebrale active în somn dezvăluie mecanismele dorinței de a dormi
Prin maparea activității cerebrale în timpul perioadelor prelungite de veghe, cercetătorii au identificat populații neuronale a căror activitate crește pe parcursul timpului de trezire și au testat cât de mult influențează acestea presiunea de a dormi.
Un studiu recent publicat în revista Nature a realizat o mapare cuprinzătoare a activității întregului creier și manipulări ale circuitelor la șoareci pentru a elucida mecanismele neuronale insuficient înțelese care guvernează dorința homeostatică de somn.
Studiul a investigat în mod special răspunsurile întregului creier în condiții de privare de somn prelungită, somn de recuperare și cicluri circadiene neperturbate, pentru a identifica populații neuronale specifice care urmăresc durata stării de veghe și reglează dorința de somn.
Printre descoperirile studiului se numără median raphe (MR) și zona preoptică medială anterioară (aMPO) ca regiuni subcorticale candidate care encodează deficitul de somn. Studiul a demonstrat, de asemenea, că activarea genetică a neuronilor responsivi la privare din aceste regiuni a declanșat somn non-rapid (NREM) de lungă durată și intens, asemănător somnului de recuperare, în timp ce co-inhibiția cronică a neuronilor GABAergici și serotonergici MR a redus somnul NREM cu aproape 70%; majoritatea șoarecilor supraviețuitori au menținut o stare de veghe cu un nivel ridicat de excitare, fără deficite comportamentale evidente asociate în mod obișnuit cu privarea severă de somn.
Autorii au concluzionat că dorința de somn este un proces neural activ, specific tipului celular, reglat de circuitele activate în timpul stării de veghe. Aceste descoperiri reprezintă un progres semnificativ în înțelegerea științifică a homeostaziei somnului la mamifere.
Studiile umane și animale au stabilit că veghea prelungită escaladează inevitabil dorința de somn, creând o presiune fiziologică irezistibilă, care este compensată în mod normal în sistemele mamiferelor prin creșterea duratei și intensității somnului.
Această presiune homeostatică de somn se reflectă în activitatea crescută a undelor lente NREM în intervalul de frecvență delta (0,5–4 Hz). Până acum, mecanismele la nivel de circuit care generează această urgență homeostatică de a dormi au rămas neclare.
Mecanismele la nivel de circuit care generează dorința de somn sunt încă slab înțelese, inclusiv care populații neuronale urmăresc deficitul de somn și cum aceste circuite influențează regiunile asociate somnului și stării de veghe.
Studiul de față a avut ca scop abordarea acestor întrebări rămase fără răspuns și a mapat circuitele neuronale care stau la baza dorinței de somn prin realizarea unei analize sistematice a răspunsurilor cerebrale la veghea prelungită. Setul de date obținut din maparea creierului a inclus 162 de creiere de șoareci curățați, examinate în 26 de condiții experimentale prin imunostaining cu gene imediate-early (FOS), curățarea țesutului și microscopie de fluorescență cu lumini de foaie.
Comparările experimentale principale ale studiului au inclus: 1. privarea de somn timp de șase ore în faza de lumină utilizând obiecte noi sau îngrijire indusă de ceață de apă, 2. somnul de recuperare post-privare și 3. cicluri circadiene de 24 de ore neperturbate. De asemenea, a fost utilizată privarea de somn în faza întunecată pentru a distinge răspunsurile legate de privare de efectele circadiene.
Aceste seturi de date au fost obținute prin clustering automatizat voxel-wise, care a fost ulterior utilizat pentru a categoriza dinamica FOS la nivelul întregului creier în trei profile distincte de răspuns: Tip 1 (răspunsuri asociate stimulului cu vârfuri timpurii), Tip 2 (vârfuri de recuperare corelate cu somnul) și Tip 3 (acumulare responsivă la privare, corelată cu veghea).
Cercetătorii au testat apoi rolurile cauzale ale acestor populații neuronale folosind șoareci transgenici TRAP2 (Fos-2A-iCreERT2) pentru a captura selectiv neuronii activați de privare. Evaluările ulterioare au utilizat activarea chimogenetică dependentă de Cre (hM3Dq), inhibiția cronică prin canale de potasiu cu rectificare internă (Kir2.1), electrofiziologie patch-clamp la nivelul întregii celule, trasarea anterogradă și teste de condiționare a fricii contextuale.
Analizele întregului creier au relevat că modelele de activare de Tip 3 au fost predominant restricționate la regiunile subcorticale, în special la MR și aMPO, unde activarea celulară a crescut în funcție de durata stării de veghe.
Activarea chimogenetică a celulelor TRAP responsabile de privare din MR sau aMPO în timpul fazei întunecate a fost asociată cu o creștere de două până la trei ori a duratei somnului NREM și cu o amplificare semnificativă a puterii delta NREM (P < 0.01).
Trasarea anatomică a arătat ulterior că neuronii TRAP responsivi la privare din MR proiectează extensiv către ținte subcorticale, inclusiv zona preoptică laterală (LPO) care promovează somnul și zona hipotalamică laterală (LHA) asociată cu veghea. Activarea chimogenetică a crescut activitatea FOS în LPO, în timp ce a suprins-o în LHA, iar activarea selectivă a neuronilor MR proiectanți către LPO a crescut somnul NREM.
Înregistrările electrofiziologice au arătat că 6 ore de privare de somn au depolarizat specific potențialul de membrană în repaus și au redus pragul de apărare al potențialului de acțiune al celulelor GABAergice MR (P < 0.05), crescându-le ratele de activitate spontană. Neuronii serotonergici nu au prezentat modificări semnificative în potențialul de membrană în repaus sau în pragul de activare.
Clasificarea histologică a demonstrat că celulele MR responsabile de privare erau predominant GABAergice (Vgat+) sau serotonergice. Aproximativ 20% din toate celulele Vgat+ MR și 40% din toate celulele serotonergice MR au fost etichetate TRAP de privare.
Activarea chimogenetică simultană a neuronilor MR Vgat+ și Sert+ a fost demonstrată că induce sinergic somn NREM prelungit și de înaltă intensitate. Pe de altă parte, inhibiția cronică prin Kir2.1 a fost descoperită că suprimă somnul NREM cu aproape 70% și încetinește acumularea puterii delta (β = -0.120, P = 0.013). Este de remarcat faptul că, deși inhibiția cronică a provocat o letalitate de 16.7%, șoarecii supraviețuitori au menținut o stare de veghe cu un nivel ridicat de excitare, fără un comportament de anxietate crescută semnificativ în testele utilizate și au fost capabili să encodeze amint
