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解决关于5-羟色胺在睡眠中的作用的争论

5-羟色胺是一种在大脑中发现的多功能分子,在记忆,认知,幸福感和其他情绪中发挥作用。特别是,研究人员长期以来一直在争论5-羟色胺在睡眠中的作用:血清素是否会促进睡眠,或者相反,是否会产生觉醒?

现在,加州理工学院的科学家们发现,血清素是斑马鱼和小鼠模型睡眠所必需的。一篇描述该研究的论文于6月24日在线发表在“神经元”杂志上。这项工作是加州理工学院的David Prober实验室,生物学教授和天桥附属教师以及加州理工学院Chrissy Chen神经科学研究所的合作。和Viviana Gradinaru(BS '05),遗传医学研究所研究员,神经科学和生物工程教授,以及Chen研究所分子和细胞神经科学中心主任。

之前关于血清素和睡眠的研究已经产生了相互矛盾的结果。一些研究表明,5-羟色胺促进睡眠,但其他工作表明,产生5-羟色胺的神经元最活跃,并在清醒时释放出化学物质。

为了解决这场争论,加州理工学院的团队专注于一个叫做中缝核的区域,这个区域有大脑中产生5-羟色胺(或5-羟色胺能)神经元的主要群体。中缝是进化上古老的结构,存在于从鱼类到人类的各种生物的脑干中,它们负责制造和向其他大脑区域输出血清素。

在Prober实验室的高级博士后学者Grigorios Oikonomou的带领下,研究开始使用斑马鱼,这种微小的透明鱼被广泛用作研究睡眠的模型。像人类一样,斑马鱼幼虫是昼夜 - 这意味着它们的睡眠主要发生在夜晚。

首先,研究人员对斑马鱼进行基因突变,使其中缝不产生血清素。研究小组发现,这些突变鱼的睡眠量是普通鱼的一半。在另一项实验中,研究人员完全取消了中缝,这些鱼的睡眠时间也比往常少。

“这表明中缝产生的5-羟色胺是鱼类获得正常睡眠所必需的,”Oikonomou说。

在第三组实验中,斑马鱼经过基因改造,因此它们的中缝可以被光激活。照亮这些鱼让他们入睡,这意味着中缝的激活会导致睡眠。这种作用需要血清素,因为在不合成血清素的鱼中激活中缝对睡眠没有影响。

来自Prober实验室的团队随后与Gradinaru实验室的科学家合作,继续对小鼠进行血清素研究。在研究生迈克尔·阿尔特马特(Michael Altermatt)的带领下,研究小组检查了小鼠中缝型的5-羟色胺能神经元,并确认它们确实大部分活跃,而动物在睡眠时醒着且活动较少,与之前的研究一致。

正如Prober的实验室在斑马鱼中所做的那样,Gradinaru实验室的团队通过基因去除了鼠标中缝的5-羟色胺能神经元,发现老鼠的睡眠时间比平常少。用光刺激这些神经元也使小鼠进入睡眠状态,但只有在清醒期间以与这些神经元的自然发生的基线活动模式一致的频率施用光时。“这里有一个明显的矛盾:刺激神经元导致动物睡眠,但神经元通常在白天活跃,”Altermatt说。

Oikonomou解释说:“有两个主要因素可以控制睡眠。其中一个是生物钟 - 当白天很亮时,身体会醒来,当它变暗时,身体会知道睡觉。另一个因素被称为稳定的睡眠压力。当你早上醒来时,你刚刚休息,所以你精力充沛。随着时间的推移,你会感到疲倦和困倦,所以有一层压力可以让你睡觉。那天晚上睡觉,你的睡眠压力更高,第二天你就更累了,即使外面很轻,你的生物钟要求你应该醒着。“

“理论上说,为了睡觉,你需要有很高的睡眠压力,生物钟需要与白天 - 夜间的时间保持一致,对于像我们这样的昼夜生物和白天的夜间动物。”

研究人员推测,中缝神经元的激发和血清素的释放是大脑建立睡眠压力的一种方式。事实上,他们发现缺乏血清素的斑马鱼以及中缝消融的小鼠显示睡眠压力降低。

虽然研究是在动物模型中,但中缝区域及其血清素的产生在人类大脑中是相似的。该研究有助于解释常见抗抑郁药物的一些与睡眠相关的副作用,这些药物会增加大脑中的血清素水平。

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