Ventrolaterální preoptické jádro - Ventrolateral preoptic nucleus

Ventrolaterální preoptické jádro
Hypothalamus small.gif
VLPO se nachází v přední části hypotalamu. Nazývá se také mezilehlé jádro preoptické oblasti
Detaily
ČástPreoptické jádro
Identifikátory
Zkratka (y)VLPO nebo IPA
NeuroNames3122
Anatomické pojmy neuroanatomie

The ventrolaterální preoptické jádro (VLPO), také známý jako mezilehlé jádro preoptické oblasti (IPA), je malá skupina neurony nachází se v přední části hypotalamus, sedící těsně nad a po straně optický chiasm v mozku lidí a jiných zvířat.[1][2] Mozková jádra podporující spánek (např. VLPO, parafaciální zóna, jádro accumbens jádro, a laterální hypotalamus MCH neurony),[3][4][5][6] společně s vzestupný systém vzrušení který zahrnuje komponenty v mozkovém kmeni, hypotalamus a bazální přední mozek, jsou vzájemně propojené nervové systémy, které řídí stavy vzrušení, spánku a přechodů mezi těmito dvěma stavy.[1][4][5] VLPO je aktivní během spát, zejména během non-rychlý pohyb očí spánek (NREM spánek),[7] a uvolňuje inhibičně neurotransmitery, hlavně GABA a galanin, které inhibují neurony vzestupný systém vzrušení které jsou zapojeny do bdělost a vzrušení.[1][8] VLPO je zase inervován neurony z několika složek systému vzestupného vzrušení.[9] VLPO je aktivován endogenními látkami podporujícími spánek adenosin[10][11] a prostaglandin D2.[12] VLPO je během bdělosti inhibován neurotransmitery vyvolávajícími vzrušení norepinefrin a acetylcholin.[9] Role VLPO ve spánku a bdělosti a jeho souvislost s poruchy spánku - zejména nespavost a narkolepsie - je rostoucí oblastí výzkumu neurovědy.

Struktura

Nejméně 80% neuronů ve VLPO, které se promítají do systému vzestupného vzrušení, jsou GABAergní (neurony, které produkují GABA).[13] In vitro studie na potkanech ukázaly, že mnoho neuronů ve VLPO, které jsou inhibovány norepinefrinem nebo acetylcholinem, jsou multipolární buňky trojúhelníkového tvaru s nízkými prahovými hroty.[9] Tyto trojúhelníkové multipolární neurony existují ve dvou subpopulacích ve VLPO:

  • Typ 1 - inhibován serotoninem.
  • Typ 2 - vzrušený serotoninem a adenosinem.

Protože se adenosin hromadí během bdělosti[11] je pravděpodobné, že buňky typu 2 hrají roli při indukci spánku.

Zbývající třetina neuronů ve VLPO je vzrušena norepinefrinem. Jejich role je nejasná.

Funkce

Spánek / bdění

Schematické znázornění hypotézy Flip-Flop Switch

Na počátku 20. století Constantin von Economo poznamenali, že lidé, kteří měli encefalitidu s lézemi v předním hypotalamu, měli nespavost, a navrhli vliv podporující spánek z této oblasti.[2] Studie na zvířatech v polovině 20. století u potkanů ​​a koček potvrdily, že velmi velké léze v preoptické oblasti a bazálním předním mozku vedly k nespavosti[14][15] ale neidentifikoval buněčnou skupinu, která byla zodpovědná. V roce 1996 Sherin a kolegové uvedli přítomnost buněčné skupiny ve VLPO, která během spánku exprimuje cFos (protein, který se často vyskytuje v neuronech, které byly nedávno aktivní) a že tyto neurony obsahují inhibiční neurotransmitery GABA a galanin.[13][7] . Bylo zjištěno, že tytéž neurony inervují složky vzestupného systému vzrušení, včetně tuberomamilární jádro (TMN) a další složky laterálního hypotalamu; the raphe jádra; the locus coeruleus (LC); the pedunkulopontin (PPT) a laterodorsální tegmentální jádra (LDT); a parabrachiální jádro (PB). Novější studie využívající opto- nebo chemogenetickou aktivaci neuronů VLPO potvrdily, že podporují spánek.[16]

Předpokládá se, že účinky neuronů VLPO podporující spánek jsou způsobeny uvolňováním GABA a případně galaninu, který potlačuje pálení neuronů vzrušivého systému. Protože VLPO je také inhibován neurotransmitery uvolňovanými složkami vzrušivých systémů, jako je acetylcholin a norepinefrin,[9] současná teorie navrhuje, aby VLPO a systém probuzení tvořily obvod „klopného obvodu“.[1][2] Tento termín z elektrotechniky označuje obvod, ve kterém vzájemná inhibice znamená, že každá součást obvodu, jak se zapíná, vypíná druhou, což vede k rychlým přechodům z jednoho stavu (bdění nebo spánku) do druhého, s minimálním časem v přechodové stavy. Tato teorie byla použita k vytvoření matematických modelů, které vysvětlují většinu chování bdění a spánku u zvířat, včetně patologických stavů a ​​reakcí na drogy.[1][17][18] Orexin neurony v laterálním laterálním hypotalamu potencují neurony v systému vzestupného vzrušení a pomáhají stabilizovat mozek v bdělém stavu (a konsolidovaná bdělost, která vytváří homeostatický spánek, pomáhá stabilizovat mozek během pozdějšího spánku). Ztráta neuronů orexinu v narkolepsii poruchy destabilizuje spínač probuzení-spánku, což má za následek ohromné ​​spánkové epizody během dne bdění a častější probouzení ze spánku v noci.[1]

Cirkadiánní rytmus

Existuje silná cirkadiánní rytmus spánku savci. „Hlavní hodiny“ pro cirkadiánní rytmy u savců jsou suprachiasmatické jádro (SCN). SCN má malou nebo vůbec žádnou projekci přímo do neuronů VLPO. Místo toho silně promítají do sousední subparaventrikulární zóny, která obsahuje inhibiční GABAergní neurony, které inervují dorzomediální jádro hypotalamu.[19][20] Léze dorzomediálního jádra téměř úplně vylučují cirkadiánní rytmus spánku. GABAergní neurony v dorsomediálním jádru inervují VLPO a glutamatergické neurony inervují laterální hypotalamus, což naznačuje, že dorsomediální jádro podporuje bdělost hlavně během aktivního období (u lidí ve dne).[19]

Klinický význam

Nespavost

Starší lidské pacienty s více galaninovými neurony v jejich mezilehlé jádro (lidský ekvivalent neuronů VLPO galaninu u hlodavců) mají lepší a nepřetržitější spánek. Snížený počet neuronů VLPO je spojen s fragmentovanějším spánkem (více probuzeními po celou noc).[21]

Léze VLPO u potkanů ​​vedou k 50-60% zkrácení doby spánku NREM a prodloužení nespavost.[22] Novější výzkumy naznačují, že nespavost vyvolaná stresem může být způsobena nerovnováhou vstupu do systému vzrušení a neuronů VLPO.[23]

Sedativní / hypnotické léky

Mnoho sedativ / hypnotik působí vazbou na a zesiluje receptory GABA-A. Patří mezi ně starší léky, jako je ethanol, chloralhydrát a barbituráty, stejně jako novější benzodiazepiny a „nebenzodiazepinové“ léky (jako je zolpidem, které se vážou na stejný receptor, ale mají odlišnou chemickou konfiguraci), a dokonce i anestetika, jako je propofol a isofluran. Protože vstupy VLPO do budícího systému používají stejný receptor, tyto léky v nízkých dávkách v podstatě působí potencováním VLPO a vytvářejí ospalý stav. Studie na zvířatech ukazují, že neurony VLPO vykazují aktivaci cFos po sedativních dávkách těchto léků,[24] a že VLPO léze produkují rezistenci na jejich sedativní účinky. [25] Avšak při vysokých dávkách, které způsobují chirurgickou rovinu anestézie, mají tyto léky mnohem rozšířenější inhibiční účinky, které nezávisí na VLPO.[26] Studie prokázaly, že více sedativ / hypnotik, která působí potencováním receptorů GABA-A, včetně ethanolu, chloralhydrátu, propofolu a plynových anestetik, jako jsou isofluran, v sedativních dávkách zvyšují aktivitu neuronů VLPO u myší.[27] Toto zjištění naznačuje, že při relativně nízkých sedativních dávkách mohou mít tyto léky společný mechanismus účinku, který zahrnuje zesílení vypalování neuronů VLPO. Vysoké dávky používané v chirurgické anestezii však snižují aktivitu neuronů v celém nervovém systému.

Reference

  1. ^ A b C d E F Saper, Clifford B .; Fuller, Patrick M .; Pedersen, Nigel P .; Lu, červen; Scammell, Thomas E. (2010). "Přepínání stavu spánku". Neuron. 68 (6): 1023–1042. doi:10.1016 / j.neuron.2010.11.032. PMC  3026325. PMID  21172606.
  2. ^ A b C Saper, Clifford B .; Scammell, Thomas E .; Lu, červen (2005). „Hypotalamická regulace spánku a cirkadiánních rytmů“. Příroda. 437 (7063): 1257–1263. doi:10.1038 / příroda04284. ISSN  0028-0836. PMID  16251950.
  3. ^ Anaclet C, Ferrari L, Arrigoni E, Bass CE, Saper CB, Lu J, Fuller PM (září 2014). „GABAergická parafaciální zóna je medulární centrum podporující spánek s pomalými vlnami“ (PDF). Nat. Neurosci. 17 (9): 1217–1224. doi:10.1038 / nn.3789. PMC  4214681. PMID  25129078. V této studii jsme poprvé ukázali, že aktivace ohraničeného uzlu GABAergních neuronů umístěných v dřeňovém PZ může účinně iniciovat SWS a kortikální SWA u chovaných zvířat. ... Prozatím však zůstává nejasné, zda je PZ propojen s jinými uzly podporujícími spánek a probuzení mimo PB podporující probuzení. ... Intenzita kortikální aktivity s pomalými vlnami (SWA: 0,5–4 Hz) během SWS je také široce přijímána jako spolehlivý indikátor potřeby spánku ... Závěrem jsme v této studii prokázali, že všechny polygrafické a neurobehaviorální projevy SWS, včetně SWA, může být zahájeno u chovaných zvířat selektivní aktivací ohraničeného uzlu GABAergních dřeňových neuronů.
  4. ^ A b Schwartz MD, Kilduff TS (prosinec 2015). „Neurobiologie spánku a bdělosti“. Psychiatrické kliniky Severní Ameriky. 38 (4): 615–644. doi:10.1016 / j.psc.2015.07.002. PMC  4660253. PMID  26600100. Nověji byla medulární parafaciální zóna (PZ) sousedící s lícním nervem identifikována jako centrum podporující spánek na základě anatomických, elektrofyziologických a chemo- a optogenetických studií.23, 24 GABAergní PZ neurony inhibují glutamatergické parabrachiální (PB) neurony, které se promítají do BF,25 čímž podporuje NREM spánek na úkor bdělosti a REM spánku. ... Spánek je regulován populacemi GABAergic jak v preoptické oblasti, tak v mozkovém kmeni; stále více důkazů naznačuje roli pro melanin koncentrující hormonální buňky laterálního hypotalamu a parafaciální zóny mozkového kmene
  5. ^ A b Brown RE, McKenna JT (červen 2015). „Proměna negativu v pozitiv: Vzestupná GABAergní kontrola kortikální aktivace a vzrušení“. Přední. Neurol. 6: 135. doi:10.3389 / fneur.2015.00135. PMC  4463930. PMID  26124745. Akce podporující spánek GABAergních neuronů umístěných v preoptickém hypotalamu (6–8) je nyní dobře známá a přijímaná (9). Více nedávno, jiné skupiny GABAergních neuronů podporujících spánek v laterálním hypotalamu (neurony s koncentrací melaninového hormonu) a v mozkovém kmeni [parafaciální zóna; (10)] byly identifikovány.
  6. ^ Oishi Y, Xu Q, Wang L, Zhang BJ, Takahashi K, Takata Y, Luo YJ, Cherasse Y, Schiffmann SN, de Kerchove d'Exaerde A, Urade Y, Qu WM, Huang ZL, Lazarus M (září 2017). „Spánek s pomalými vlnami je řízen podmnožinou jádrových neuronů nucleus accumbens u myší“. Příroda komunikace. 8 (1): 734. doi:10.1038 / s41467-017-00781-4. PMC  5622037. PMID  28963505. Zde ukážeme, že chemogenetická nebo optogenetická aktivace neuronů nepřímé dráhy exprimujících excitační adenosin A2A v oblasti jádra NAc silně indukuje spánek s pomalými vlnami. Chemogenetická inhibice neuronů nepřímé dráhy NAc brání indukci spánku, ale neovlivňuje homoeostatický odraz spánku.
  7. ^ A b Sherin, J. E.; Shiromani, P. J .; McCarley, R. W .; Saper, C. B. (1996-01-12). "Aktivace ventrolaterálních preoptických neuronů během spánku". Věda. 271 (5246): 216–219. doi:10.1126 / science.271.5246.216. ISSN  0036-8075. PMID  8539624.
  8. ^ Brown, Ritchie E .; Basheer, Radhika; McKenna, James T .; Strecker, Robert E .; McCarley, Robert W. (2012). „Řízení spánku a bdělosti“. Fyziologické recenze. 92 (3): 1087–1187. doi:10.1152 / physrev.00032.2011. ISSN  0031-9333. PMC  3621793. PMID  22811426.
  9. ^ A b C d Gallopin, Thierry; Fort, Patrice; Eggermann, Emmanuel; Cauli, Bruno; Luppi, Pierre-Hervé; Rossier, Jean; Audinat, Etienne; Mühlethaler, Michel; Serafin, Mauro (2000). "Identifikace neuronů podporujících spánek in vitro". Příroda. 404 (6781): 992–995. doi:10.1038/35010109. ISSN  0028-0836. PMID  10801127.
  10. ^ Scammell, T.E .; Gerashchenko, D.Y; Mochizuki, T; McCarthy, M. T.; Estabrooke, I.V; Sears, C. A.; Saper, C.B; Urade, Y; Hayaishi, O (2001). „Agonista adenosinu A2a zvyšuje spánek a indukuje Fos ve ventrolaterálních preoptických neuronech“. Neurovědy. 107 (4): 653–663. doi:10.1016 / s0306-4522 (01) 00383-9. ISSN  0306-4522.
  11. ^ A b Gallopin T (2005). „Endogenní somnogen adenosin vzrušuje podmnožinu neuronů podporujících spánek prostřednictvím A2A receptorů ve ventrolaterálním preoptickém jádru“. Neurovědy. 134 (4): 1377–1390. doi:10.1016 / j.neuroscience.2005.05.045. PMID  16039802.
  12. ^ Scammell T (1998). „Aktivace ventrolaterálních preoptických neuronů somnogenním prostaglandinem D2“. PNAS. 95 (13): 7754–7759. doi:10.1073 / pnas.95.13.7754. PMC  22747. PMID  9636223.
  13. ^ A b Sherin J (1998). „Inervace histaminergních tuberomammilárních neuronů pomocí GABAergních a galaninergních neuronů ve ventrolaterálním preoptickém jádru krysy“. The Journal of Neuroscience. 18 (12): 4705–4721. doi:10.1523 / JNEUROSCI.18-12-04705.1998. PMID  9614245.
  14. ^ Nauta W (1946). „Hypotalamická regulace spánku u potkanů“. Journal of Neurophysiology. 9: 285–314. doi:10.1152 / jn.1946.9.4.285. PMID  20991815.
  15. ^ McGinty D (1968). "Potlačení spánku po bazálních lézích předního mozku u kočky". Věda. 160 (3833): 1253–1255. doi:10.1126 / science.160.3833.1253. PMID  5689683.
  16. ^ Kroeger, Daniel; Absi, Gianna; Gagliardi, Celia; Bandaru, Sathyajit S .; Madara, Joseph C .; Ferrari, Loris L .; Arrigoni, Elda; Münzberg, Heike; Scammell, Thomas E. (2018). „Galaninové neurony ve ventrolaterální preoptické oblasti podporují spánek a ztrátu tepla u myší“. Příroda komunikace. 9 (1). doi:10.1038 / s41467-018-06590-7. ISSN  2041-1723. PMC  6175893. PMID  30297727.
  17. ^ Phillips, A.J.K .; Robinson, P.A. (2007). „Kvantitativní model dynamiky spánku-bdění založený na fyziologii systému vzestupného vzrušení mozkového kmene“. Journal of Biological Rhythms. 22 (2): 167–179. doi:10.1177/0748730406297512. ISSN  0748-7304. PMID  17440218.
  18. ^ Fulcher, Ben D .; Phillips, Andrew J. K .; Postnova, Svetlana; Robinson, Peter A. (2014). Mistlberger, Ralph E. (ed.). „Fyziologicky založený model orexinergní stabilizace spánku a bdění“. PLOS ONE. 9 (3): e91982. doi:10.1371 / journal.pone.0091982. ISSN  1932-6203. PMC  3961294. PMID  24651580.
  19. ^ A b Chou, Thomas C .; Scammell, Thomas E .; Gooley, Joshua J .; Gaus, Stephanie E .; Saper, Clifford B .; Lu, červen (2003). „Kritická role dorzomediálního hypotalamického jádra v široké škále behaviorálních cirkadiánních rytmů“. The Journal of Neuroscience. 23 (33): 10691–10702. doi:10.1523 / jneurosci.23-33-10691.2003. ISSN  0270-6474.
  20. ^ Vujovic, Nina; Gooley, Joshua J .; Jhou, Thomas C .; Saper, Clifford B. (2015). „Projekce ze subparaventrikulární zóny definují čtyři výstupní kanály z cirkadiánního časovacího systému: Projekce ze SPZ“. Journal of Comparative Neurology. 523 (18): 2714–2737. doi:10,1002 / cne.23812. PMC  4607558. PMID  26010698.
  21. ^ Lim A (2014). „Spánek souvisí s počtem neuronů ve ventrolaterálním preoptickém / intermediárním jádru u starších dospělých s Alzheimerovou chorobou i bez ní“. Mozek. 137 (Pt 10): 2847–61. doi:10.1093 / brain / awu222. PMC  4163039. PMID  25142380.
  22. ^ Lu, červen; Greco, Mary Ann; Shiromani, Priyattam; Saper, Clifford B. (2000). "Vliv lézí ventrolaterálního preoptického jádra na NREM a REM spánek". The Journal of Neuroscience. 20 (10): 3830–3842. doi:10.1523 / jneurosci.20-10-03830.2000. ISSN  0270-6474.
  23. ^ Cano, G .; Mochizuki, T .; Saper, C. B. (2008). „Neurální obvod stresem vyvolané nespavosti u potkanů“. Journal of Neuroscience. 28 (40): 10167–10184. doi:10.1523 / JNEUROSCI.1809-08.2008. ISSN  0270-6474.
  24. ^ Lu, červen; Nelson, Laura E .; Franks, Nick; Maze, Mervyn; Chamberlin, Nancy L .; Saper, Clifford B. (2008). „Role endogenních systémů spánku a bdění a analgetik v anestezii“. The Journal of Comparative Neurology. 508 (4): 648–662. doi:10,1002 / cne.21685. PMC  4924624. PMID  18383504.
  25. ^ Moore, Jason T .; Chen, Jingqiu; Han, Bo; Meng, Qing Cheng; Veasey, Sigrid C .; Beck, Sheryl G .; Kelz, Max B. (2012). „Přímá aktivace spánkových neuronů VLPO těkavými anestetiky přispívá k anestetické hypnóze“. Aktuální biologie. 22 (21): 2008–2016. doi:10.1016 / j.cub.2012.08.042. PMC  3628836. PMID  23103189.
  26. ^ Eikermann, Matthias; Vetrivelan, Ramalingam; Grosse-Sundrup, Martina; Henry, Mark E .; Hoffmann, Ulrike; Yokota, Shigefumi; Saper, Clifford B .; Chamberlin, Nancy L. (2011). „Ventrolaterální preoptické jádro není nutné pro celkovou anestezii isofluranem“. Výzkum mozku. 1426: 30–37. doi:10.1016 / j.brainres.2011.10.018. PMC  3215917. PMID  22041226.
  27. ^ Moore J (2012). „Přímá aktivace neuronů VLPO podporujících spánek těkavými anestetiky přispívá k anestetické hypnóze“. Aktuální biologie. 22 (21): 2008–2016. doi:10.1016 / j.cub.2012.08.042. PMC  3628836. PMID  23103189.

externí odkazy

Gallopin T, Luppi PH, Cauli B, Urade Y, Rossier J, Hayaishi O, Lambolez B, Fort P (2005). „Endogenní somnogen adenosin vzrušuje podmnožinu neuronů podporujících spánek prostřednictvím A2A receptorů ve ventrolaterálním preoptickém jádru“. Neurovědy. 134 (4): 1377–90. doi:10.1016 / j.neuroscience.2005.05.045. PMID  16039802.