睡眠和觉醒行为的神经机制得以解析

最近，马里兰大学医学院（UM SOM）的科学家们，确定了睡眠/觉醒过程的一个关键通路的作用方式。这个通路似乎对于调节睡眠和觉醒之间的“开关”，发挥了关键的作用。这是第一次有研究以这种生物物理学的细节，阐明这个过程。相关研究结果发表在最近的《Nature Communications》杂志。

　　

生物通报道：入睡和醒来，这是每个人在一天当中的关键转换。数百万人在这些转换上遇到了麻烦——他们发现自己在夜间很难入睡，在白天很难保持清醒。尽管经过了数十年的研究，但是，对于大脑科学家们来说，这些转变是如何运作的——我们昼夜节律的神经生物学机制，很大程度上仍然是一个谜。科学家们曾经进行过探讨，并获得了一些研究结果，例如：Cell：睡眠和觉醒周期的控制开关；美国科学家发现：大脑清醒和睡眠状态的“交换台”；科学家发现神经元调控睡眠觉醒行为新机制。

然而最近，马里兰大学医学院（UM SOM）的科学家们，确定了这些过程的一个关键通路的作用方式。这个通路似乎对于调节睡眠和觉醒之间的“开关”，发挥了关键的作用。这是第一次有研究以这种生物物理学的细节，阐明这个过程。相关研究结果发表在最近的《Nature Communications》杂志。

UM SOM的生理学副教授Andrea Meredith博士，专注于一个特定的大脑区域——下丘脑中的视交叉上核。这个区域作为大脑的生物钟，决定着我们何时想去睡觉、我们睡多长时间以及我们何时起床。在视交叉上核（SCN）中，她专注于特定的离子通道——传导电流的蛋白质，将信息从一个神经元传递到另一个神经元。她专注于一组通道，称为BK钾离子通道，它们在SCN中似乎特别活跃。

在这项研究中，Meredith博士研究了小鼠，它的时间表与人类是相反的——它们在白天睡觉，夜间出来活动。她发现，BK通道在小鼠觉醒时是活跃的（晚上），而在白天BK通道是不活跃的。她发现，在白天，BK通道的作用是抑制清醒。

Meredith教授研究了正常小鼠以及转基因小鼠，后者经过转基因改造，因此它们的BK通道不能被灭活。然后，她通过放置在SCN神经元中的电极，记录这些通道的活性。在转基因小鼠的大脑中，动物不能灭活BK通道，她发现了低水平的神经活动，这与白天更多的清醒有关。这是不寻常的，因为老鼠通常在白天睡觉。

索取 Lonza的原代细胞的优化培养基详细技术资料请填写联系方式

这些新的发现是令人惊讶的，有几个原因。研究人员不知道，体内哪些生理过程依赖BK通道失活作为一种机制。科学家已经了解，该通道通过这种方法起作用，但不知道神经元如何使用这种机制来调节大脑中的信息编码。这项研究首次表明，BK通道失活对于编码大脑中的生理节奏，是至关重要的。

此前，BK通道一直被认为对于调节其他生理功能至关重要。它们对于激活肌肉是重要的，并对于控制血压、心率和膀胱功能，扮演一个重要角色。在大脑中，BK通道已知参与调节神经兴奋性，在运动控制、学习和记忆中发挥作用。在大脑中，BK通道的功能障碍与颤动、癫痫、上瘾以及学习和记忆相关问题，联系在一起。

Meredith教授说：“我们知道，BK通道在全身都具有广泛的重要性。但是，现在我们有强有力的证据表明，它们明确而内在性地参与了生物钟周期。这真的是令人兴奋的。”

而且，在过去，科学家们认为，睡眠的昼夜模式在很大程度上是由一种不同的机制驱动，即存在于SCN表面的离子通道的数量。这篇新论文表明，该模型过于简单化了。新的研究表明，关键不在于通道的数量，而在于被激活的通道，更重要的是，在一天中特定时间失活的通道。

这一发现具有临床意义。Meredith教授说，对于这种失活机制的新理解，可能被用来开发靶定昼夜节律的药物。这种药物可以用来治疗睡眠障碍、时差和季节性情绪失调，所有这些都涉及SCN生物钟的问题。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
BK channel inactivation gates daytime excitability in the circadian clock
Abstract: Inactivation is an intrinsic property of several voltage-dependent ion channels, closing the conduction pathway during membrane depolarization and dynamically regulating neuronal activity. BK K(+) channels undergo N-type inactivation via their β2 subunit, but the physiological significance is not clear. Here, we report that inactivating BK currents predominate during the day in the suprachiasmatic nucleus, the brain's intrinsic clock circuit, reducing steady-state current levels. At night inactivation is diminished, resulting in larger BK currents. Loss of β2 eliminates inactivation, abolishing the diurnal variation in both BK current magnitude and SCN firing, and disrupting behavioural rhythmicity. Selective restoration of inactivation via the β2 N-terminal 'ball-and-chain' domain rescues BK current levels and firing rate, unexpectedly contributing to the subthreshold membrane properties that shift SCN neurons into the daytime 'upstate'. Our study reveals the clock employs inactivation gating as a biophysical switch to set the diurnal variation in suprachiasmatic nucleus excitability that underlies circadian rhythm.