Le sommeil est essentiel pour une fonction cognitive optimale. Des résultats récents suggèrent également que les perturbations dans le sommeil sont associées à un large éventail de maladies1,2,3. Bien que les fonctions du sommeil ne soient pas encore encore en grande partie résolues, des progrès substantiels ont été réalisés récemment dans la compréhension des circuits neuronaux et des mécanismes qui contrôlent les états de sommeil/éveil4. Chez les mammifères, il y a trois états de vigilance : l'éveil, le sommeil non rapide des mouvements oculaires (NREM) et le sommeil rapide des yeux (REM). L'éveil est caractérisé par des oscillations rapides d'EEG (5-12 Hz) de basse amplitude avec l'activité motrice intentionnelle et soutenue. Le sommeil NREM est défini par des oscillations lentes (1-4 Hz) de haute amplitude (ondes delta), avec un manque de conscience et une activité motrice ciblée. Le sommeil paradoxal est caractérisé par des oscillations relativement rapides (6-12 Hz) de faible amplitude et presque complète atonia musculaire bilatérale5.
Borbely a proposé une théorie de la régulation de l'éveil du sommeil connue sous le nom de modèle à deux processus6,7. Un processus homéostatique, également appelé processus S, représente la pression du sommeil qui s'accumule pendant l'éveil et se dissipe pendant le sommeil. Un autre processus, appelé processus C, est un processus circadien, ce qui explique pourquoi les niveaux de vigilance fluctuent dans le cycle de 24 h. En plus de ces deux processus, les facteurs allostatiques sont également importants pour la régulation du sommeil / éveil8,9. Les facteurs allostatiques incluent les états nutritionnels et l'émotion. La peur et l'anxiété sont généralement accompagnées d'une augmentation de l'excitation ainsi que des réponses autonomes et neuroendocrines10,11,12. Le système limbique est censé jouer un rôle dans la régulation de la peur et de l'anxiété, et les mécanismes sous-jacents aux réponses autonomes et neuroendocrines ont été étudiés en profondeur, mais la voie par laquelle le système limbique influence le sommeil / état d'éveil n'a pas encore été révélé. Un grand nombre d'études récentes utilisant l'opto- et la pharmacogénétique ont suggéré que les neurones et les circuits neuronaux qui régulent les états de sommeil/éveil sont distribués dans tout le cerveau, y compris les cortices, le cerveau avant basal, le thalamus, l'hypothalamus, et le tronc cérébral. En particulier, les progrès récents dans l'optogénétique nous ont permis de stimuler ou d'inhiber des circuits neuronaux spécifiques in vivo avec des résolutions spatiales et temporelles élevées. Cette technique permettra de progresser dans notre compréhension des substrats neuronaux du sommeil et de l'éveil, et comment les états de sommeil/éveil sont réglés par les processus circadiens, la pression du sommeil et les facteurs allostatiques, y compris l'émotion. Cet article vise à introduire comment utiliser la manipulation optogénétique combinée avec l'enregistrement du sommeil / veille, qui pourrait avoir le potentiel de mettre à jour notre compréhension des connectomes et des mécanismes dans le cerveau qui jouent un rôle dans la régulation du sommeil NREM, sommeil paradoxal, et l'éveil. La compréhension de ce mécanisme par lequel le système limbique régule les états de sommeil/éveil est d'une importance primordiale pour la santé, parce que l'insomnie est habituellement associée à l'anxiété ou à la peur d'être incapable de dormir (somniphobie).
On pense que le BNST joue un rôle essentiel dans l'anxiété et la peur. GAD 67-exprimant les neurones GABAergic sont une population importante de la BNST12,13. Nous avons examiné l'effet de la manipulation optogénétique de ces neurones (GABABNST) sur les états de sommeil/éveil. L'une des plus grandes avancées en neurosciences ces dernières années a été des méthodes qui permettent la manipulation de neurones avec des identités chimiques particulières in vivo, avec des résolutions spatiales et temporelles élevées. L'optogénétique est très utile pour démontrer les liens de causalité entre l'activité neuronale et les réponses comportementales spécifiques14. Nous décrivons l'optogénétique comme méthode pour examiner la connectivité fonctionnelle des circuits neuronaux définis dans la régulation des états de sommeil/éveil. En utilisant cette technique, de grands progrès ont été réalisés dans la compréhension des circuits neuronaux qui régulent le sommeil / éveil états15,16,17,18,19 . Dans de nombreux cas, les opsines sont spécifiquement introduites dans les neurones avec des identités chimiques particulières dans les régions sélectives du cerveau par une combinaison de souris Cre-driver et Cre-inductible AAV-négocié le transfert de gène. En outre, l'expression focale d'opsines photosensibles telles que la canalrhodopsine 2 (ChR2)20 ou l'archaerhodopsine (ArchT)21 combinée à un système Cre-loxP ou Flp-FRT nous permet de manipuler une population neuronale sélective et spécifique voie neuronale22.
Nous décrivons ici des expériences sur des neurones GABAergic dans le BNST comme exemple. Pour exprimer des opsines dans une population neuronale désignée, des souris de conducteur de Cre appropriées et des vecteurs de virus Cre-dépendants sont le plus fréquemment utilisés. Les lignes transgéniques ou knock-in dans lesquelles les opsines sont exprimées en particulier les populations neuronales sont également utiles. Dans les expériences suivantes, nous avons utilisé GAD67-Cre knock-in souris23 dans lequel seuls les neurones GABAergic exprimer Cre recombinase avec un fond génétique C57BL/6J, et un vecteur AAV qui contient ChR2 (hChR2 H134R) fusionné avec EYFP ou EYFP comme un contrôle avec un commutateur "FLEx (Flip-excision)"24. La procédure décrit spécifiquement l'excitation optogénétique des neurones GABAergic dans le BNST pendant la surveillance des états de sommeil/éveil25.