臂旁核神经元调节睡眠觉醒的研究进展

赵敏锐，王典茹，杨解人，王毅群

(1. 皖南医学院药理学教研室，安徽 芜湖　241000、2. 复旦大学基础医学院药理学系，上海　200032)



臂旁核神经元调节睡眠觉醒的研究进展

赵敏锐1，王典茹2，杨解人1，王毅群2

(1. 皖南医学院药理学教研室，安徽 芜湖241000、2. 复旦大学基础医学院药理学系，上海200032)

摘要：臂旁核(parabrachial nucleus, PB)是环绕在脑桥结合臂周围的灰质结构，主要由谷氨酸、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)和脑啡肽神经元组成。PB与下丘脑、基底前脑等觉醒核团有着广泛的神经纤维联系，特异性损毁PB可引起动物昏迷样症状。同时，PB向非快动眼(non-rapid eye movement，NREM)睡眠核团腹内侧视前区投射，并接受来自面旁核的投射，激活面旁核中的GABA能神经元可促进NREM睡眠，表明PB可能参与NREM睡眠的调控。此外，快动眼(rapid eye movement，REM)睡眠剥夺会引起臂旁外侧核的兴奋。综上所述，PB在机体调节觉醒、NREM和REM睡眠中发挥着重要作用。该文将就PB在睡眠-觉醒调节作用中的研究进展做一综述。

关键词：臂旁核；觉醒；非快动眼睡眠；快动眼睡眠；谷氨酸神经元；投射

人生的三分之一在睡眠中度过，睡眠相分为快动眼(rapid eye movement, REM)睡眠和非快动眼(non-rapid eye movement, NREM)睡眠，所有的哺乳动物、鸟类和爬行动物都需要睡眠。睡眠不仅仅是正常的生理行为，更是保障精力充沛的先决条件。当今社会，随着经济发展和竞争压力的增大，睡眠障碍问题愈发严重，临床缺乏有效治疗手段，原因在于睡眠觉醒机制未明。已探知的觉醒核团包括中脑中缝背核(dorsal raphe nucleus，DRN)[1]、脑桥蓝斑核(locus coeruleus，LC)[2]、下丘脑结节乳头核(tuberomammillary nucleus，TMN)[3-4]、外侧下丘脑( lateral hypothalamus，LH)[5]等，而睡眠核团包括腹外侧视前区(ventrolateral preoptic，VLPO)[6]和面神经旁核(parafacial zone，PZ)[7]等，睡眠与觉醒核团既相互对立又紧密联系，共同调控睡眠觉醒。

臂旁核(parabrachial nucleus, PB)最早发现于1914年，位于脑桥背侧部，小脑脚(脑桥结合臂)周围，后被Taber首次命名为“结合臂旁核”，与下丘脑、丘脑、基底前脑、大脑皮层、腹内侧视前区和面神经旁核等核团有着广泛的神经纤维联系。1984年，Saper等将PB划分为臂旁外侧核(the lateral parabrachial nucleus, LPB)、臂旁内侧核(the medial parabrachial nucleus, MPB)和KF核 (Kolliker-Fuse nucleus)3个亚核团。其中LPB又可分为7个亚核，即上外侧核(superior lateral nucleus, LPBs)、内外侧核(internal lateral nucleus, LPBi)、中央外侧核(central lateral nucleus, LPBc)、背外侧核(dorsal lateral nuleus, LPBd)、腹外侧核(ventral lateral nucleus, LPBv)、极外侧核(extreme lateral nucleus，LPBel)和外外侧核(external lateral nucleus，LPBexl)。MPB分为两个亚核，即内侧臂旁核(medial parabrachilal nucleus，MPB)和外内侧亚核(external medial subnucleus，MPBe)[8]。PB作为脑桥部重要的中枢信号传递核团，参与调节机体多项生理功能：传导至PB的γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)能投射促进动物摄食，而传导至PB的谷氨酸能投射则抑制动物摄食[9]，这表明PB可能调节昼夜规律进食；PB向视前区的投射可能控制温度感受，因为后者抑制背内侧下丘脑中与产热相关神经元[10]；PB还可能参与了痛觉传导和调节，脊髓接受来自外周的疼痛感受纤维传入，并通过PB传出至疼痛相关的导水管灰质(periaqueopctal gray，PAG)、下丘脑和杏仁核等[11-12]，因此，我们推断PB可能是脊髓向其他疼痛相关核团传导的中转站；PB参与了呼吸调节，其LPBexl和LPBc亚核中的谷氨酸能神经元可促使睡眠呼吸暂停动物觉醒，Kaur等的实验表明，PB中谷氨酸能神经元与机体对CO2感受有关，而PB中谷氨酸能神经元与BF、LH、丘脑和皮层等觉醒核团纤维联系紧密[13-14]，由此推断，PB中谷氨酸能神经可能同时调控了睡眠觉醒与呼吸。总结可知，以上这些生理功能多具有睡眠觉醒的节律性，进而提示我们：PB可能参与调控睡眠觉醒。特异性损毁PB引起动物昏迷，证明了以上结论[15]。因此，本文主要论述PB与睡眠觉醒作用之间的联系。

1PB与觉醒系统

觉醒是大脑中觉醒系统介导的皮层兴奋，是生物正常活动的基础，这种兴奋依赖于上行网状兴奋系统的活动维持[16]。1949年，Moruzzi将猫中脑和脑桥的网状部毁损，猫持续昏迷，提示我们：中脑和脑桥网状部中的核团与觉醒启动密切相关。2011年，Fuller等[15]双侧毁损PB，发现动物陷入昏迷，表明PB可能是觉醒系统的关键核团。此后，PB与觉醒的关系受到睡眠研究者们的重视。而PB中谷氨酸能神经元作为其最主要的兴奋性神经递质[17]，与基底前脑(basal forebrain, BF)、LH、丘脑、DRN及大脑皮层等联系都十分紧密。

BF与皮层之间的神经纤维投射十分密集，是大脑维持觉醒的重要核团[7,18]。离体膜片钳实验表明：激活PB中谷氨酸能神经元的轴突末梢，可在基底前脑神经元上检测到谷氨酸能电流，并且这些神经元投向皮层，证明兴奋PB向BF投射的谷氨酸能神经元可以兴奋BF向皮层投射的谷氨酸能神经元[7,19-20]；在体实验表明：损毁BF可导致皮层兴奋性降低，动物反应迟钝；而损毁PB会使动物昏迷，皮层兴奋性降低。上述结果提示：PB向BF的谷氨酸能投射是维持觉醒的重要因素[15]。损毁PB可能切断了MPB中谷氨酸能神经元向BF的投射，导致皮层兴奋性降低，难以维持大脑皮层觉醒，使动物陷入昏迷。

现阶段研究表明，LPB中的谷氨酸能神经元可能是LH中食欲肽(orexin)能神经元的重要兴奋来源。下丘脑orexin能神经元的兴奋是维持觉醒的基础，orexin的合成只存在于LH的神经元中[21]。在觉醒期，动物下丘脑orexin分泌量明显增多[22]，orexin能神经元的c-Fos蛋白表达增强[5]，放电频率增高；但在REM和NREM睡眠期，放电几乎停止[23]。神经解剖学研究显示：LPB中谷氨酸能神经元的纤维末梢与LH的orexin能神经元胞体形成突触联系，这表明LH中的orexin能神经元接受来自LPB中的谷氨酸能神经元的投射[24]。由以上实验结果推测：LPB中的谷氨酸能神经元可能通过兴奋LH中的orexin能神经元，增加orexin，维持皮层兴奋。

PB的促觉醒作用可能与上行网状兴奋系统有关。上行网状兴奋系统包括背侧和腹侧两条通路，这两条通路都可以将脑干兴奋传递到皮层。在上行网状兴奋系统的背侧通路中，与觉醒相关的中脑、脑桥和延髓网状结构的兴奋性可以通过丘脑中线核和丘脑髓板内核传递到丘脑-皮层投射系统[25-28]。PB谷氨酸能神经元向丘脑中线核投射[15]，因此，我们推断PB可能通过上行网状兴奋系统的背侧通路作用于皮层，诱发皮层兴奋。

DRN中5-HT能神经元可能是PB介导觉醒的另一途径。成年猫在觉醒期DRN中5-HT浓度明显增高，5-HT能神经元放电频率升高，在NREM期放电频率降低[1,29]；在大鼠DRN内微量注射对氯苯丙氨酸(p-chlorophenylalanine，PCPA)选择性的抑制5-HT的生物合成后，出现觉醒减少的效应[30]，以上实验证明DRN中5-HT与觉醒相关。逆向追踪DRN中5-HT能神经元接受的投射发现，这些投射来源于MPB和LPB的谷氨酸能神经元。由此推断，兴奋PB中的谷氨酸能神经元可以兴奋DRN中的5-HT能神经元，使其发挥促觉醒作用[31]。

综上所述，PB中的谷氨酸能神经元通过细胞间的神经纤维联系，将兴奋传导到 BF、LH、丘脑和DRN等，激活这些核团，产生促觉醒作用。此外，PB中的谷氨酸能神经元也可直接兴奋皮层，诱导觉醒[15]。

2PB和NREM睡眠系统

腹外侧视前区(ventrolateral preoptic，VLPO)是重要的睡眠促进核团。2008年，Greco等[6]发现，VLPO接受来自LPBc脑啡肽神经元的投射，并且在VLPO中灌流阿片受体激动剂，可增加NREM睡眠。由上述实验推测，VLPO促 NREM睡眠作用可能是由LPBc中的脑啡肽神经元介导的。

此外，通过免疫双标法对猫脑细胞活性研究发现：在NREM睡眠期，LPBc核团中的c-Fos蛋白表达明显增强，并且c-Fos阳性点能与GABA能神经元共标，证明LPBc中GABA能神经元在NREM睡眠期被兴奋，提示LPBc的GABA能神经元很可能发挥促NREM睡眠作用[32]。

最新研究提示：PB调控NREM睡眠的机制可能与面神经旁核(parafacial zone，PZ)密切相关。NREM睡眠期，PZ的c-Fos蛋白表达明显增加；毁损PZ会导致动物持续的觉醒；使用DREADD(designer receptors exclusively activated by a designer drug)技术，特异性激活PZ的GABA能神经元，会增加NREM睡眠，提示PZ参与调节NREM睡眠[7]。解剖学研究表明，PZ中GABA/甘氨酸能神经元向PB密集投射[33]；电生理结果显示，PZ中GABA能神经元抑制PB向BF的兴奋性投射[7]。上述结果提示：PB介导了PZ对NREM睡眠和皮层兴奋性的调控。

以上结果表明：PB不仅是促觉醒核团，同时还参与了NREM睡眠的调控。PB调控睡眠的其中一条通路是作用于促NREM睡眠核团VLPO调控睡眠。另一条通路是PB接收来自PZ的抑制性投射，间接抑制BF和皮层的兴奋性，发挥促睡眠作用。

3PB和REM睡眠系统

PB不仅参与了觉醒和NREM睡眠调节，还可能与REM睡眠相关。实验证明，动物REM睡眠剥夺后，机体会产生代偿作用，进而增加REM睡眠[34]。对REM睡眠剥夺动物进行c-Fos染色发现，LPB各亚区的c-Fos蛋白表达明显增多，尤其集中在LPBc中，而MPB中c-Fos阳性点没有明显增加[35]；但损毁MPB会使动物REM睡眠增加[15]，由以上实验说明，PB参与调控REM睡眠。

此外，PB可能介导了背外侧被盖核(sublaterodorsal tegmental nucleus，SLD)向BF的投射，这可能是REM睡眠时皮层兴奋的主要原因[36]。REM睡眠剥夺时，SLD中80%的谷氨酸能神经元兴奋，表明SLD的谷氨酸能神经元参与REM睡眠的调节，而MPB接受来自SLD谷氨酸能神经元的投射[37]，并可通过BF调控皮层兴奋性[7]，因此，PB可能介导了SLD对REM睡眠的调节作用。

腹外侧导水管灰质(ventrolateral periaqueopctal gray，vlPAG)是REM睡眠抑制核团，毁损vlPAG会引起REM睡眠的增加。vlPAG接受来自SLD的抑制性GABA能投射，并通过其GABA能神经元抑制下游PB区，这可能是机体控制REM睡眠中的一条通路[15]。

PB介导REM睡眠和觉醒的进程均投射至BF，由此猜想：在觉醒期，PB谷氨酸能投射并兴奋BF，进而兴奋大脑皮层，产生觉醒效应；在REM睡眠期，REM睡眠促进核团SLD中谷氨酸神经和REM睡眠抑制核团vlPAG中GABA能神经元通过上述觉醒通路作用于皮层，调节REM睡眠，并产生REM睡眠效应。

4小结

PB是位于脑桥部的中转核团，参与机体多项生理功能的调节，同时负责错综复杂的睡眠觉醒信号的传递，调控觉醒、NREM和REM睡眠，但由于其调控的生理功能多具有睡眠觉醒节律性，我们因此推断：PB中某些神经元同时调控睡眠与觉醒这些生理功能；此外，PB中的谷氨酸能神经元是维持觉醒的主要因素，并向下丘脑、中脑、丘脑、基底前脑、大脑皮层等广泛投射，以上事实表明PB可能参与上行兴奋系统；PB的部分区域具有调节NREM睡眠的作用，并介导了PZ对NREM睡眠的调控，这可能是PZ间接抑制PB下游促觉醒核团的结果；PB参与调控REM睡眠的机制可能是SLD、vlPAG等REM核团通过PB的觉醒通路对皮层作用。综上可知，PB调节睡眠觉醒网络极其复杂，因此，本文将PB参与调控睡眠-觉醒核团的神经网络进行了梳理、总结和归纳,如Fig 1。

Fig 1　Connection of the PB with sleep-wake regulation systems

PB sends projections to cerebral cortex, wake-related nuclei including BF, LH, Thalamus, DRN, etc., and to NREM-related nuclei including VLPO. Meanwhile, PB also receives afferents from REM-related SLD and vlPAG, NREM-related PZ. The glutamatergic neurons in PB project to cerebral cortex, BF, LH, Thalamus and DRN, while opioid neurons to VLPO. PB also receives GABA afferents from PZ and vlPAG, glutamatergic projections from SLD. The black, blue and red circles represent wake-, NREM- and REM-related nucleis, respectively. The arrow represents afferent projection. The line represents efferents. PB, parabrachial nucleus; BF, basal forebrain; VLPO, ventrolateral preoptic nucleus; LH, lateral hypothalamus; SLD, sublaterodorsal tegmental nucleus; vlPAG, ventrolateral periaqueopctal gray; DRN, dorsal raphe nucleus; PZ, parafacial zone.

5展望

PB在睡眠觉醒调控中的重要性日益明确，但其与睡眠觉醒核团之间的纤维联系对睡眠觉醒的调控仍处于推论阶段，需要更加直接的证据予以证明；PB自身亚区结构复杂，各亚区对睡眠觉醒的作用并不完全清楚；PB中神经元具有异质性，这些不同神经元对睡眠觉醒的调节作用也不明确；PB与其他神经核团及环路间关系网络庞大，目前的研究仍有许多未探明之处，需要更多科研资源的投入。但随着科技的进步，社会的发展，相信人类终将能解决这些问题。

参考文献:

[1]Sakai K, Crochet S. Increase in antidromic excitability in presumed serotonergic dorsal raphe neurons during paradoxical sleep in the cat[J].BrainRes, 2001, 898(2) : 332-41.

[2]Carter M E, Yizhar O, Chikahisa S, et al. Tuning arousal with optogenetic modulation of locus coeruleus neurons[J].NatNeurosci, 2010,13(12) :1526-33.

[3]Huang Z L, Qu W M, Li W D, et al. Arousal effect of orexin A depends on activation of the histaminergic system[J].ProcNatlAcadSciUSA, 2001,98(17) : 9965-70.

[4]Huang Z L, Sato Y, Mochizuki T, et al. Prostaglandin E2 activates the histaminergic system via the EP4 receptor to induce wakefulness in rats[J].JNeurosci, 2003,23(14) :5975-83.

[5]Espana R A, Valentino R J, Berridge C W. Fos immunoreactivity in hypocretin-synthesizing and hypocretin-1 receptor-expressing neurons: effects of diurnal and nocturnal spontaneous waking, stress and hypocretin-1 administration[J].Neuroscience, 2003,121(1) :201-17.

[6]Greco M A, Fuller P M, Jhou T C, et al. Opioidergic projections to sleep-active neurons in the ventrolateral preoptic nucleus[J].BrainRes, 2008,1245 :96-107.

[7]Anaclet C, Ferrari L, Arrigoni E, et al. The GABAergic parafacial zone is a medullary slow wave sleep-promoting center[J].NatNeurosci, 2014,17(9) :1217-24.

[8]Fulwiler C E, Saper C B. Subnuclear organization of the efferent connections of the parabrachial nucleus in the rat[J].BrainRes, 1984,319(3) :229-59.

[9]Wu Q, Clark M S, Palmiter R D. Deciphering a neuronal circuit that mediates appetite[J].Nature, 2012,483(7391) :594-7.

[10]Morrison S F, Nakamura K. Central neural pathways for thermoregulation[J].FrontBiosci(LandmarkEd), 2011,16:74-104.

[11]Gauriau C, Bernard J F. Pain pathways and parabrachial circuits in the rat[J].ExpPhysiol, 2002,87(2) :251-8.

[12]Strobel C, Hunt S, Sullivan R, et al.Emotional regulation of pain: the role of noradrenaline in the amygdala[J].SciChinaLifeSci, 2014,57(4):384-90.

[13]Dutschmann M, Dick T E. Pontine mechanisms of respiratory control[J].ComprPhysiol, 2012,2(4):2443-69.

[14]Kaur S, Pedersen N P, Yokota S, et al.Glutamatergic signaling from the parabrachial nucleus plays a critical role in hypercapnic arousal[J].JNeurosci, 2013,33(18):7627-40.

[15]Fuller P, Sherman D, Pedersen N P, et al. Reassessment of the structural basis of the ascending arousal system[J].JComparativeNeurol, 2011,519(5) : 933-56.

[16]Moruzzi G, Magoun H W. Brain stem reticular formation and activation of the EEG[J].ElectroencephalogrClinNeurophysiol, 1949,1(4) :455-73.

[17]Lu J, Sherman D, Devor M,et al. A putative flip-flop switch for control of REM sleep[J].Nature, 2006,441(7093) :589-94.

[18]Zant J C, Rozov S, Wigren H K, et al. Histamine release in the basal forebrain mediates cortical activation through cholinergic neurons[J].JNeurosci, 2012,32(38):13244-54.

[19]Butcher L L, Semba K. Reassessing the cholinergic basal forebrain: nomenclature schemata and concepts[J].TrendsNeurosci, 1989,12(12):483-5.

[20]Szymusiak R, Alam N, Steininger T L, McGinty D. Sleep-waking discharge patterns of ventrolateral preoptic/anterior hypothalamic neurons in rats[J].BrainRes, 1998,803(1-2):178-88.

[21]Kiyashchenko L I, Mileykovskiy B Y, Maidment N, et al. Release of hypocretin(orexin) during waking and sleep states[J].JNeurosci, 2002,22(13) :5282-6.

[22]Lee M G, Hassani O K, Jones B E. Discharge of identified orexin/hypocretin neurons across the sleep-waking cycle[J].JNeurosci, 2005,25(28):6716-20.

[23]Berridge C W, Espana R A. Hypocretins: waking, arousal, or action[J]?Neuron, 2005,46(5) :696-8.

[24]Espana R A, Valentino R J, Berridge C W. Fos immunoreactivity in hypocretin-synthesizing and hypocretin-1 receptor-expressing neurons: effects of diurnal and nocturnal spontaneous waking, stress and hypocretin-1 administration[J].Neuroscience, 2003,121(1):201-17.

[25]Cornwall J, Phillipson O T. Afferent projections to the parafascicular thalamic nucleus of the rat, as shown by the retrograde transport of wheat germ agglutinin[J].BrainResBull, 1988,20(2): 139-50.

[26]Newman D B, Ginsberg C Y. Brainstem reticular nuclei that project to the thalamus in rats: a retrograde tracer study[J].BrainBehavEvol, 1994,44(1): 1-39.

[27]Paré D, Smith Y, Parent A, Steriade M. Projections of brainstem core cholinergic and non-cholinergic neurons of cat to intralaminar and reticular thalamic nuclei[J].Neuroscience, 1988,25(1): 69-86.

[28]Steriade M, Glenn L L. Neocortical and caudate projections of intralaminar thalamic neurons and their synaptic excitation from midbrain reticular core[J].JNeurophysiol, 1982,48(2):352-71.

[29]Portas C M, Rees G, Howseman A M, et al. A specific role for the thalamus in mediating the interaction of attention and arousal in humans[J].JNeurosci, 1998,18(21) :8979-89.

[30]赵乐章，章功良，高隽，等. 中缝背核投射到基底外侧杏仁核的5-羟色胺能纤维对睡眠的调节作用[J].中国药理学通报,2003,19(1)：77-9.

[30]Zhao L Z, Zhang G L, Gao J, et al. The serotonin projection from the dorsal raphe nucleus to the basolateral amygdala participated in sleep regulation[J].ChinPharmacolBull,2003,19(1)：77-9.

[31]Lee H S, Kim M A, Valentino R J,et al. Glutamatergic afferent projections to the dorsal raphe nucleus of the rat[J].BrainRes, 2003,963(1-2) : 57-71.

[32]Torterolo P, Sampogna S, Chase M H. A restricted parabrachial pontine region is active during non-rapid eye movement sleep[J].Neuroscience, 2011,190 :184-93.

[33]Anaclet C, Lin J S, Vetrivelan R, et al. Identification and characterization of a sleep-active cell group in the rostral medullary brainstem[J].JNeurosci, 2012,32(50) :17970-6.

[34]Suchecki D, Duarte P B, Tufik S. Sleep rebound in animals deprived of paradoxical sleep by the modified multiple platform method[J].BrainRes, 2000,875(1-2) :14-22.

[35]Verret L, Léger L, Fort P, Luppi P H. Cholinergic and noncholinergic brainstem neurons expressing Fos after paradoxical(REM) sleep deprivation and recovery[J].EurJNeurosci, 2005,21(9) :2488-504.

[36]Vetrivelan R, Chang C, Lu J. Muscle tone regulation during REM sleep: neural circuitry and clinical significance[J].ArchItalBiol, 2011,149(4) :348-66.

[37]Clement O, Sapin E, Bérod A, et al. Evidence that neurons of the sublaterodorsal tegmental nucleus triggering paradoxical (REM) sleep are glutamatergic[J].Sleep, 2011,34(4) :419-23.

Regulatory effects of PB on sleep and wakefulness

ZHAO Min-rui1, WANG Dian-ru2,YANG Jie-ren1,WANG Yi-qun2

(1.DeptofPharmacology,WannanMedicalCollege,WuhuAnhui241000,China;2.DeptofPharmacology,BasicMedicalCollege,FudanUniversity,Shanghai200032,China)

Abstract:The parabrachial nucleus (PB) is made up of gray matter around the Pons combination(BC), mainly consisting of glutamatergic, GABAergic and enkephalinergic neurons. PB is connected to hypothalamus and basal forebrain through a network of nerve fibers. Specific lesion of the entire parabrachial complex in animals leads to a deep coma. PB also projects to the non-rapid eye movement(NREM)-related regions including the ventrolateral preoptic, and receives the projections from the parafacial zone. Activation of the GABAergic neurons in parafacial zone can promote NREM sleep, which indicates that PB participates in NREM sleep. Furthermore, the lateral PB is actived when rapid eye movement(REM) sleep is deprived. In conclusion, PB participates in regulating wakefulness, NREM and REM sleep. This review summarizes the advances in the roles of PB in sleep-wake regulation.

Key words:parabrachial nucleus; wakefulness; NREM sleep; REM sleep;glutamatergic neuron;projection

收稿日期:2016-01-11,修回日期:2016-02-14

基金项目：国家自然科学基金面上项目(No 81571295)

作者简介：赵敏锐(1990 -),男,硕士生,研究方向:临床药理学,E-mail:15601912979@163.com;

doi:10.3969/j.issn.1001-1978.2016.06.006

文献标志码：A

文章编号：1001-1978(2016)06-0764-04

中国图书分类号：R-05；R322.81；R338.63

网络出版时间：2016-5-25 15:39网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1086.R.20160525.1539.012.html

杨解人(1955 - ),女,教授,硕士生导师,研究方向:临床药理学,通讯作者,E-mail: jryang1955@sina.com;

王毅群(1982 - ),女,博士,副教授,研究方向:睡眠医学, 通讯作者, E-mail: 061101069@fudan.edu.cn