快速眼动睡眠(rapid eye movement, REM)是一种以骨骼肌麻痹和大脑皮层激活为特征的睡眠状态。然而，整体皮质动力学及其在调节快速眼动睡眠中的作用尚不清楚。
2022年11月17日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心/神经科学研究所刘丹倩在Nature Neuroscience 杂志在线发表题为“Cortical regulation of two-stage rapid eye movement sleep”的研究论文，该研究首次揭示并定义了小鼠快速眼动睡眠（REM睡眠）的两个阶段——安静期和活跃期，其分别对应显著不同的面部表情、自主神经活动和脑电频谱。
应用大规模宽场荧光钙成像技术，该研究发现了小鼠压后皮层（retrosplenial cortex, RSC）在REM睡眠中选择性激活，并特异性地起始了跨脑区传播的钙波。结合双光子成像、机器学习算法和光遗传学等手段，明确了RSC在REM睡眠分期的编码和调控中的重要作用。该研究实现了对REM睡眠分期和调控机制认识的重大突破，为探究梦境睡眠的复杂性提供了坚实的基础。
睡眠-觉醒周期，包括快速眼动(rapid eye movement, REM)睡眠和非快速眼动(non-rapid eye movement, NREM)睡眠，通常被认为主要是由分布的皮层下电路调节，而皮层区域则参与产生与睡眠相关的脑电图(electroencephalogram, EEG)振荡。然而，最近的研究表明，皮质神经元可能积极参与非快速眼动睡眠的产生和稳态睡眠调节。尽管在快速眼动睡眠期间皮质的激活被认为与生动的梦境有关，皮质在快速眼动睡眠调节中的作用仍然未知。为探究REM睡眠的大脑皮层活动，研究人员在Thy1-GCaMP6s转基因小鼠上安装了覆盖全背侧皮层的透明玻璃窗口，以观测全局的大脑皮层的钙信号，并对小鼠的脑电、肌电、面部行为和血氧等进行了同时监测，研究发现在REM睡眠期间，脾后皮层(RSC)被选择性激活，并启动皮质范围内的钙波。皮质神经元双光子成像显示，在快速眼动睡眠期间，2/3层(L2/3)锥体神经元被激活，而L5则没有。图1. RSC是快速眼动睡眠中皮层Ca2+波的主要起始位点（图源自Nature Neuroscience）进一步研究表明，RSC L2/3神经元在REM睡眠期间的激活表现出两种不重叠的时间剖面，由两个动态神经元种群携带。此外，活动模式的转变在时间上与两个连续的REM子阶段的转变相匹配，通过对比面部运动和可分辨的脑电图θ振荡来识别。REM睡眠时RSC兴奋性神经元的闭环光遗传失活通过抑制REM子阶段过渡缩短了REM睡眠时间。相比之下，其他皮层区域——次级运动皮层(the secondary motor cortex, M2)或前扣带皮层(anterior cingulate cortex, ACC)的失活对快速眼动睡眠时间没有影响。这些结果揭示了快速眼动睡眠的两个不同的子阶段，并强调了RSC在调节快速眼动睡眠子阶段转换中的作用。图2. RSC活动是REM睡眠阶段转换所必需（图源自Nature Neuroscience ）综上所述，该研究发现在小鼠中，快速眼动睡眠伴随着高度模式的皮层活动波，脾后皮层是一个主要的起始点。RSC的2/3层锥体神经元的双光子成像显示了REM睡眠期间两种不同的种群活动模式。这些结果强调了RSC在指示皮质动力学和调节REM睡眠进程方面的重要作用。中科院脑智卓越中心的博士研究生董宇凡为本研究第一作者，研究组的李嘉琪、周敏、杜熠辉也做出了重要贡献。该研究得到中科院、科技部、基金委、上海市和临港实验室的资助。https://www.nature.com/articles/s41593-022-01195-2
