Sci Adv丨中脑边缘多巴胺神经元：睡眠-觉醒进程中的“定海神针”

2025年1月1日，加拿大麦吉尔大学Kai-Florian Storch团队在Science Advances发表“Mesolimbic dopamine neurons drive infradian rhythms in sleep-wake and heightened activity state”，揭示了中脑边缘多巴胺能神经元驱动睡眠-觉醒及高度活跃状态中的亚日节律。

在双相情感障碍（BD）患者中，已观察到周期为48小时及以上的亚日节律（Infradian，指一种周期超过 24小时的情绪波动规律）情绪和睡眠-觉醒节律，即便在没有外部时间线索的情况下，这些节律依然持续存在，这表明它们源于内源性因素。作者发现，饮用含甲基苯丙胺（冰毒）水的小鼠会出现周期为48小时及以上的亚日运动节律，这种节律还延伸至睡眠时间以及与躁狂状态相关的行为，这为双相情感障碍的周期循环模型提供了支持。当腹侧被盖区（VTA）的多巴胺（DA）能神经元中多巴胺生成受到基因破坏，或者伏隔核投射的多巴胺能神经元被损毁时，这种周期循环能力就会丧失。此外，对VTA多巴胺能神经元（包括投射到伏隔核的神经元）进行化学遗传学激活，会导致生物钟缺陷小鼠的运动周期延长，而抗精神病药物治疗能够抵消这种影响。

图一 甲基苯丙胺诱导亚日节律的变异性与程度

甲基苯丙胺是一种强烈的中枢神经系统兴奋剂，长期或滥用可以对身体和大脑产生多种影响。研究表明，甲基苯丙胺能够诱导出额外的类似昼夜节律的行为模式，这些行为模式被称为次级昼夜节律（2ndCs），这类节律通常表现出接近24小时的周期，因此被视为附加的昼夜节律。作者研究了暴露于浓度逐渐增加直至100毫克/升甲基苯丙胺（该浓度是通常使用浓度的两倍）的小鼠的转轮活动。随着时间推移，甲基苯丙胺处理导致第二成分的出现。然而，相对于甲基苯丙胺处理开始的时间，第二成分出现的时间存在差异，一些动物很快就出现第二成分，而另一些则需要数周时间才会有反应。第二成分因甲基苯丙胺处理而出现的周期也有相当大的差异，反应较快的动物倾向于出现周期更长的第二成分。

一般来说，在第二成分出现之前，主要的（昼夜节律）运动成分会逐渐延长。第二成分的周期会随时间逐渐或突然改变，这可被视为驱动第二成分的振荡器相当不稳定的体现。在长期给予甲基苯丙胺（100毫克/升）后，发现很大一部分动物出现的第二成分周期处于亚日节律的较宽范围，其中相当一部分（≥30%）的周期超过40小时。接受甲基苯丙胺处理的动物个体周期图的热图显示，亚日节律峰值在较宽的超日范围内分布相对均匀，这突出了其周期的高度灵活性。活动记录图结果说明甲基苯丙胺诱导的亚日睡眠-觉醒节律的规律性和稳定性。作者表明长期使用甲基苯丙胺会导致出现具有不同周期的节律性运动成分，且该成分的周期常常远超出亚日节律范围（40小时）。值得注意的是，作者未发现第二成分诱导存在明显的性别差异。在甲基苯丙胺处理9周后，雄性和雌性出现亚日节律的时间以及达到的峰值周期并无差异。

图二 具有48小时节律的小鼠在睡眠及躁狂相关行为上呈现周期性变化

为了证明与具有48小时周期循环的双相情感障碍患者类似，小鼠的48小时节律也会延伸至睡眠方面，作者研究了长期使用甲基苯丙胺对通过被动红外传感器记录的小鼠自发运动活动的影响。发现即使没有转轮，小鼠在接受甲基苯丙胺处理后，其运动活动也始终呈现出48小时的节律性。然后，根据一种已通过脑电图衍生睡眠验证的程序，将PIR数据转换为睡眠评分。在接触甲基苯丙胺之前，睡眠节律中的超日频谱功率几乎不存在，但当小鼠出现48小时周期循环时，这种功率显著存在。在比较48小时周期循环中的连续几天时，发现睡眠时间差异很大。与使用甲基苯丙胺之前的情况相比，48小时周期循环期间的总睡眠时间更低，这表明48小时周期循环的小鼠或人类睡眠需求大幅降低。为了进一步证实48小时节律小鼠作为BD中48小时周期循环模型的有效性，作者使用旷场实验（OFT）评估这些小鼠是否每隔一天就有活动亢进的迹象。由于活动亢进或精神运动性激越是BD躁狂发作的一个标志，这样的发现将与这些小鼠每隔一天进入类似躁狂状态的情况相符。旷场视频追踪显示，与长时间睡眠的交替日（非活动日）相比，48小时周期循环的动物在睡眠较少的日子（活动日）测试时，随时间推移的移动距离增加。

相比之下，未接触过甲基苯丙胺的动物在相应的活动期（ZT12）至ZT18和非活动期（ZT0至ZT6）进行测试时，未发现差异。值得注意的是，与未接触过甲基苯丙胺的小鼠相比，48小时周期循环小鼠在活动日的移动距离也更大，而非活动日与未接触过甲基苯丙胺的动物之间没有差异。与活动日相比，非活动日的运动更受限制。与移动距离的情况一样，未接触过甲基苯丙胺的小鼠在活动期和非活动期之间的空间d值没有差异，48小时周期循环小鼠非活动日测量的空间d值与未接触过甲基苯丙胺的小鼠之间也没有显著差异。然而，与未接触过甲基苯丙胺的小鼠相比，48小时周期循环小鼠在活动日的空间d值显著更低。因此，48小时节律小鼠每隔一天就表现出活动亢进和更多的直线运动路径，这与躁狂患者的行为一致，证实了48小时节律小鼠是BD躁狂周期循环的合适模型。

图三 腹侧被盖区中囊泡单胺转运体2（Vmat2）的选择性破坏并不会消除亚日节律的产生能力

与腹侧被盖区表达半胱天冬酶-3（VTACasp3）的小鼠一致，VTA中酪氨酸羟化酶（TH）基因杂合敲除（VTATHKO）的小鼠与对照组相比，总体运动活动也有所减少，这可能是导致其在甲基苯丙胺作用下无法产生第二成分的一个因素。VTADA 神经元中特异性缺失囊泡单胺转运体 2（Vmat2）的小鼠会消除多巴胺（DA）的囊泡摄取和释放。向Vmat2fl/fl小鼠的VTA双侧注射病毒导致VTA中Vmat2转录本优先缺失（VTAVMAT2KO小鼠），而黑质（SN）、中缝核和蓝斑核中的表达保持完整。该小鼠与 VTACasp3 和 VTATHKO 小鼠一样，自发运动活性显著降低，但甲基苯丙胺处理前的昼夜节律周期不受影响。

将Vmat2fl/fl小鼠与DAT-iCreER小鼠杂交，通过他莫昔芬处理使中脑DA神经元中Vmat2选择性缺失，导致运动活性大幅降低。向DAT-Cre小鼠的VTA注射病毒使DA神经元突触沉默（VTATetTox小鼠），该小鼠基线运动活性降低。与其他模型不同，VTAVmat2KO 小鼠在甲基苯丙胺处理下仍保留产生第二成分的能力，最高峰值和频谱能量分布显示对照组和 VTAVmat2KO小鼠都向亚日周期转变。同样，DAT-iCreER × Vmat2fl/fl小鼠经他莫昔芬处理后，再用甲基苯丙胺处理不仅增加了运动活性，还出现了第二成分。VTATetTox小鼠虽运动活性降低，但产生第二成分的能力也完全保留。这些研究结果表明，自发运动的普遍、持续减少并不妨碍在甲基苯丙胺处理下产生第二成分，且甲基苯丙胺诱导的运动亢进并非产生第二成分能力的预测指标。

综上所述，通过小鼠实验揭示了甲基苯丙胺诱导亚日节律的特性，以及相关神经元和分子机制。双相情感障碍的周期性发作依赖于亚日节律的产生，而亚日节律的产生又依赖于中脑边缘多巴胺神经元 。

阅读原文