大脑如何在睡眠时快速察觉外界危险信号？当突如其来的声音或危险信号来临时，动物为什么能在几乎瞬间从睡眠中醒来？这个问题长期困扰着神经科学家。
近日，来自美国南加州大学张砺和陶慧中教授团队在Current Biology上发表题为 "A distributed auditory network mediated by pontine central gray underlies ultra-fast awakening in response to alerting sounds" 的一项最新研究深入探讨了这个现象，并揭示了大脑中脑乔中央灰质（Pontine central gray, PCG）在声音诱导觉醒过程中的关键作用。这项研究不仅揭示了大脑在危险情况下的快速反应机制，还表明PCG在调节正常的睡眠-觉醒周期中也扮演着重要角色。该发现为理解和治疗睡眠障碍提供了新的研究方向。
听觉系统在睡眠期间起着关键的守护作用，提醒动物潜在的危险（如接近的捕食者），并促进快速觉醒。然而，负责声音引发觉醒的神经回路仍不清楚。中枢听觉系统由两条主要的上行通路组成。（1）经典听觉通路，听觉信息从耳蜗核（CN）传递到脑干的各种听觉核团，再到丘脑的内侧膝状核（MGB），最后到达听觉皮层（AC），在此处形成听觉感知。（2）网状-边缘通路，听觉信息从CN，经过脑桥网状核（PRN）、脑桥中央灰质（PCG）、内侧隔区（MS），最终到达内嗅皮层和海马。该通路与声音感知无关，更多地与情绪、觉醒、注意力和记忆相关，且在处理情感上具有显著意义的声音（如大噪音）中发挥重要作用。脑桥中央灰质（PCG），作为脑桥背侧的一个显著结构，已被确定为该通路中的关键节点。它还被认为是上行网状激活系统（ARAS）的主要组成部分，ARAS在维持觉醒和整合多感官信息方面发挥着重要作用。值得注意的是，PCG 对多感官刺激有反应，并将感觉输入传递到基底前脑的内侧隔区，后者参与调节皮层脑电图（EEG）和觉醒状态。这些证据表明，PCG 的活动与警觉状态之间存在联系提出了一个可能性，即 PCG 及其下游靶点在声音引发的觉醒中发挥重要作用。
首先，作者测试了PCG在声音引发觉醒中起作用，通过同时记录脑电图（EEG）和肌电图（EMG），监测自由活动的小鼠的睡眠/觉醒状态 (Fig. 1A)。实验中，小鼠被间歇性地暴露在不同声音强度刺激，听觉刺激可导致小鼠从非快速眼动睡眠（NREM）和快速眼动睡眠（REM）中快速觉醒，随着声音强度的增加，觉醒的概率呈单调增加的趋势(Fig. 1B-3C)。与对照组相比，PCG静默（局部注射毒蕈碱，Muscimol）显著降低了从NREM睡眠中引发觉醒的概率，但对REM睡眠没有明显影响。
Fig. 1 PCG参与声音引发的觉醒
先前的文章报道，PCG的GABA能神经元对噪音基本没有反应(Xiao et al., 2023, Neuron)，这里作者探究了PCG谷氨酸能神经元在噪音刺激下引发觉醒中的作用。通过双侧注射AAV-DIO-ArchT到Vglut2-Cre小鼠的PCG中，利用光遗传学抑制这些神经元的活动。与对照相比（GFP），抑制PCG谷氨酸能神经元显著降低了噪音引发的觉醒概率，而REM睡眠引发的觉醒未受明显影响。这些结果表明，PCG的谷氨酸能神经元在声音引发的NREM睡眠觉醒中起着重要作用（Fig. 2A-C）。接下来作者通过直接激活PCG谷氨酸能神经元测试对睡眠的影响，向Vglut2-Cre小鼠的PCG注射Cre依赖的ChR2（eYFP为对照组,Fig. 2D）。在NREM和REM睡眠状态下，光刺激使ChR2表达的小鼠迅速转为清醒状态，而对照组（eYFP）小鼠则没有这种效果。REM睡眠到清醒的延迟明显比NREM睡眠时间长。
Fig. 2 PCG谷氨酸能神经元参与声音引发的觉醒，且激活PCG谷氨酸能神经元会快速促使从睡眠到清醒的转变
作者进一步研究了PCG谷氨酸能神经元的活动是否与自然的睡眠/觉醒状态相关，在自由活动的小鼠中进行光纤成像记录。结果显示谷氨酸能神经元的整体钙离子活动在清醒时高于睡眠期间， REM期高于NREM期（Fig. 3A-3C）。对ChR2标记的PCG谷氨酸能神经元进行了光电极记录（Fig. 3H），结果显示在清醒时的自发放电率高于睡眠，在REM期的放电率高于NREM期（Fig. 3I-3J），这与钙成像结果一致。这表明PCG谷氨酸能神经元的活动受到睡眠/觉醒状态的动态调节。
Fig. 3PCG谷氨酸能神经元的活动受到睡眠/觉醒状态的调节
此外，作者还研究了PCG谷氨酸能神经元在不同睡眠/觉醒状态下的听觉反应。诱发放电率与自发放电率呈相反趋势，即在清醒时的声音诱发的放电率低于在NREM时的放电率（Fig. 3K-3L）。PCG谷氨酸能神经元在睡眠期间整体增强的听觉反应性可能有助于它们在促进声音引发觉醒中的功能作用。
Fig. 3K-3L通过化学遗传学抑制PCG谷氨酸能神经元导致小鼠的清醒时间显著减少，而NREM时间显著增加。因此，PCG谷氨酸能神经元的活动在正常生理条件下有助于维持清醒状态（Fig. 3N-P）。
Fig.3N-P最后，作者研究了哪些下游投射可能在PCG介导的觉醒促进中发挥作用。为此，对PCG谷氨酸能神经元在五个主要靶区域（MD、VTA、LHA、LPO和PVT）的ChR2表达轴突末端进行了光刺激。数据表明，PCG谷氨酸能神经元主要通过向MD、LHA和VTA的投射来促进觉醒。
Fig. 4 PCG谷氨酸能神经元通过特定的下游投射介导觉醒综上所述，该研究阐明了PCG在传递警觉性听觉信号到全局觉醒相关大脑网络中的重要作用，以及其在介导由声音引发的快速觉醒中的关键角色。通过这个由PCG介导的上行警觉系统，外部感官事件可以迅速影响觉醒状态以及内部调控的睡眠。本文的第一作者是来自美国南加州大学凯恩医学院（Keck medicine of USC）张砺教授实验室的魏金星博士后，孝翠羽为共同第一作者。
