研究亮点

 

图1. 睡眠与清醒状态下光遗传激活V1区诱导全脑CBV响应的功能性超声成像
 

(A) 示意图显示V1区病毒注射与表达（左；比例尺1 mm），以及结合光遗传刺激、脑电/肌电记录的功能性超声成像（右）。黑框为成像视野。  
(B) 典型矢状面成像显示V1刺激显著激活的脑区（n=17次试验）。各体素活性经Z评分后伪彩显示。采样频率1 Hz。LGd：丘脑背外侧膝状体复合体。  
(C) V1与LGd的CBV响应曲线。  
(D) 跨小鼠平均的全脑响应。虚线框为成像视野。  
(E) V1刺激激活的主要脑区汇总。虚线标示皮层下结构轮廓。  
(F) 示例实验中前额叶脑电功率谱、肌电及全脑CBV活动（底部），包含多个睡眠-觉醒周期（颜色标记）。  
(G) 脑状态转换时的平均全脑CBV活动。时间0为转换点。  
(H) 各脑状态下的平均全脑CBV活动。每线代表一只小鼠数据。  
(I) NREM睡眠与清醒期V1诱发CBV响应的跨小鼠平均值。单试次基线信号已扣除。红色横条：激光刺激时段。  
(J) NREM与清醒期响应振幅差异。各点代表一只小鼠。 

视频1. 光遗传激活V1锥体神经元诱导全脑CBV响应的3D视图（关联图1）  

彩色标注显示激活脑区（n=10只小鼠），右侧标注关键脑区缩写。除图1E所示区域外，体感皮层（SS）与海马（HIP）也有响应。VIS：视觉相关区域。  

皮层神经活动在NREM睡眠期间受到抑制
利用fUSi技术结合光遗传学，探究了小鼠在不同睡眠状态下V1区神经元活动的传播模式。
实验发现，NREM睡眠期间，尽管V1区对光刺激的直接响应与清醒状态相似，但V1向高级皮层（如RSP、ACA）的活动传播显著减弱，表明NREM睡眠可能选择性抑制皮层间的信息传递。相比之下，皮层下结构如上丘（SC）的响应未受影响，而丘脑（TH）活动甚至略有增强，提示NREM睡眠对神经活动的调控具有区域特异性。REM睡眠期间皮层活动传播强于NREM睡眠，但因数据量不足未深入分析。

这些发现揭示了睡眠状态如何动态调节大脑信息流，NREM睡眠可能通过抑制皮层间连接促进记忆巩固或神经可塑性，而皮层下通路（如丘脑-皮层环路）可能仍保持一定功能。

NREM睡眠期间ACA锥体神经元的快速抑制
通过钙成像技术揭示了NREM睡眠期间前扣带皮层（ACA）锥体神经元活动的独特抑制模式。
实验发现，虽然V1区神经元对光遗传刺激的反应在清醒和NREM睡眠期间无差异，但ACA神经元表现出完全相反的反应模式：清醒时呈现强烈兴奋，而NREM睡眠时则出现显著抑制，活动水平甚至低于基线。这一现象在双光子成像中得到了验证，表明NREM睡眠会选择性抑制高级皮层的信息处理。

研究指出，这种快速抑制机制可能通过阻断皮层间的循环兴奋网络，防止神经活动的过度放大，从而解释了为何NREM睡眠期间缺乏意识感知。这些发现不仅证实了fUSi测量的血流动力学变化确实反映了神经元活动的改变，更重要的是揭示了睡眠状态依赖的神经信息流调控机制，为理解意识产生的神经基础提供了新见解。
 

图2. 光遗传激活V1诱导ACA与V1锥体神经元钙信号成像

(A) 左：钙成像病毒注射示意图；右：自由活动小鼠光纤记录方案。  
(B) 示例实验的前额叶脑电、肌电及V1/ACA钙信号。  
(C) 脑状态转换时V1钙信号（左）及各状态均值（右）。时间0为转换点。  
(D) ACA锥体神经元钙信号的对应分析。  
(E) 光遗传刺激诱导的V1锥体神经元钙响应。插图：NREM与清醒期响应振幅差异。  
(F) V1刺激诱导的ACA锥体神经元钙响应。

胆碱能系统对皮层神经活动点燃的调控
研究揭示了基底前脑胆碱能系统通过动态调控皮层抑制性输入，决定感觉信息在皮层网络中的传播效率。

通过化学遗传学操控发现：抑制胆碱能神经元会选择性减弱清醒期V1至ACA的神经活动传播，而激活则能显著增强NREM睡眠期的传播强度，甚至将ACA神经元典型的抑制反应逆转为兴奋反应。这种调控具有高度状态特异性——胆碱能抑制仅影响本就依赖该系统的清醒期，而激活则可突破NREM睡眠的传播限制。局部实验证实该效应独立于整体觉醒状态改变，且主要通过调节皮层局部抑制性环路实现。

研究首次建立了"胆碱能信号-抑制性微环路-跨皮层信息流"的完整因果链条，为理解意识状态相关的信息处理机制提供了新范式：胆碱能神经元的动态活动通过门控皮层间兴奋/抑制平衡，决定感觉信息能否被高级皮层整合，这可能是睡眠-觉醒周期中意识体验浮沉的重要神经基础。
 

图3. 基底前脑胆碱能神经元化学遗传抑制对V1-ACA活动传播的影响
 

(A) 基底前脑胆碱能神经元病毒表达（比例尺200 μm）。  
(B) 化学遗传抑制实验流程。IP：腹腔注射。  
(C) CNO给药前后ACA区CBV响应（hM4Di组跨小鼠平均）。  
(D) CNO/生理盐水处理的振幅差异汇总。
 

图4. 基底前脑胆碱能神经元化学遗传激活对V1-ACA活动传播的影响
 

(A-B) 实验设计与病毒表达（同图3）。  
(C) hM3Dq组CNO给药前后ACA区CBV响应。  
(D) 激活处理的振幅差异统计。

VIP、SST、NDNF和PV GABA能中间神经元的作用
研究系统解析了不同抑制性中间神经元在睡眠-觉醒周期中对皮层信息传递的差异化调控。发现VIP/SST/NDNF神经元在清醒期更活跃，而PV神经元在NREM睡眠期活性显著升高，呈现独特的"睡眠激活"特性。

通过化学遗传学操控证实，PV神经元是NREM睡眠期抑制高级皮层信息处理的关键闸门——其激活可抑制清醒期的跨皮层传播，而失活则解除NREM睡眠期的传播抑制。NDNF神经元虽在NREM睡眠期对V1刺激有反应，但调控作用较弱，主要在清醒期通过抑制PV神经元间接影响网络兴奋性。

这些发现揭示了皮层微环路中"PV神经元主导-NDNF神经元微调"的层级抑制机制，阐明了睡眠状态下感觉信息被高级皮层阻断的细胞基础，为理解意识状态转换的神经环路机制提供了新视角。

图5 VIP/SST/NDNF/PV抑制性中间神经元的脑状态依赖性活动
 

(A) ACA区VIP神经元钙信号。A1：示例实验；A2：状态转换时活动；A3：各状态均值。  
(B) V1刺激诱导的VIP神经元响应。  
(C-H) SST/NDNF/PV神经元的对应分析。
 

图6 ACA区PV神经元化学遗传操控对V1诱发锥体神经元响应的影响

(A) 左：实验设计；右：ACA区GCaMP6s（绿）与PV神经元mCherry（红）共表达（比例尺200 μm，白框内放大图100 μm）。  
(B) hM3Dq/hM4Di组CNO处理前后锥体神经元响应曲线。  
(C) 处理前后振幅差异统计（NREM期hM3Dq与hM4Di组差异p=0.0026）。 

研究总结
这项《Cell》研究揭示了NREM睡眠中意识减弱的关键神经机制。
通过多模态成像及神经调控技术（fUS、钙成像、光遗传学、化学遗传学），首次发现基底前脑胆碱能神经元通过调控PV阳性抑制性中间神经元，在NREM睡眠期选择性阻断视觉皮层至前额叶的信息流。该研究不仅阐明了"皮层点燃"抑制的细胞环路基础（胆碱能输入-PV神经元-锥体神经元通路），更建立了睡眠-觉醒周期中意识门控的完整理论框架，为理解意识障碍疾病提供了新靶点。其创新性在于将宏观脑网络功能与微观细胞类型特异性调控有机结合，是意识神经科学研究的重要突破。

参考文献
Li B, Ma C, Huang YA, et al. Circuit mechanism for suppression of frontal cortical ignition during NREM sleep. Cell. 2023 Dec 21;186(26):5739-5750.e17. doi: 10.1016/j.cell.2023.11.012.