在正常的生命活动中,睡眠具有着重要的意义,不仅可以促进生理机能及体力的恢复,而且可以加强记忆的巩固,提高工作和学习的效率。正常睡眠可分为慢动眼动睡眠(NREM)和快眼动睡眠(REM),两个时相交替出现。有专门的神经中枢来调控睡眠与觉醒。胆碱能神经元主要有两类,一类是局部环路神经元,主要位于纹状体,伏隔阂,与运动的调节有关；一类是投射型神经元,主要分布在基底前脑和脑干,基底前脑的胆碱能神经元可以广泛投射到皮层,海马等部位,与学习及记忆有关(Mesulam, Mufson et al.1983)。脑干的胆碱能神经元可以投射到丘脑,新纹状体,基底前脑等部位,他们的纤维与其他上行纤维组成上行网状激活系统,可以调节呼吸,以及睡眠等。丘脑网状核由大量γ氨基丁酸能神经元组成,它能接受来自丘脑皮层及皮层丘脑的兴奋性输入,又可以发出抑制性投射到背侧丘脑的各个核团,这些投射占到了所有网状投射的90%。因此,丘脑网状核在丘脑和皮层之间的信息传递中起着重要的门控作用,调控注意力,睡眠以及睡眠中记忆的巩固等行为。之前已经有很多行为学以及电生理实验结果表明胆碱能系统在异相睡眠以及觉醒中起着重要的作用。这些观点认为,来自于脑干的胆碱能投射能通过N型受体易化丘脑的感觉区,通过M型受体抑制丘脑网状核,丘脑网状核丫氨基丁酸能神经元的兴奋对丘脑皮层纺锤波的形成具有重要的作用,纺锤波又可以保护睡眠及促进睡眠的起始。因此,丘脑网状核的Y氨基丁酸能神经元被抑制后,睡眠纺锤波的产生也将受到抑制,丘脑网状核对丘脑的抑制性效应也将受到抑制,那么丘脑对信息的传递将得到易化,这样,胆碱能能系统在睡眠觉醒系统中便起着积极的正向作用。尽管已经有不少关于丘脑网状核中胆碱能神经投射形态学的研究,但由于技术及方法的限制,这些投射到丘脑网状核的胆碱能纤维具体的功能仍然不是很清楚。并且,丘脑网状核对纺锤波的形成起着重要的作用,纺锤波又可以保护睡眠,那么投射到丘脑网状核的胆碱能神经纤维是否也能调控睡眠,如果能调控,又是如何调控的也不清楚。如果能把这些问题研究清楚,对于丘脑网状核中的胆碱能神经投射的作用将得到更深一层的阐释,并且也将为睡眠的神经环路机制研究增加新的认识。因此,为了回答以上问题,我们综合运用转基因老鼠,在体及离体电生理,免疫组化,光遗传学,药理学方法来探讨丘脑网状核中胆碱能投射的生理学意义。光遗传学技术,可以实时准确的操控细胞,是很好的研究特定神经元或者神经环路的方法。因此,首先,我们把B13小鼠(PV-阳性神经元特异性表达绿色荧光蛋白)和Chat-ChR2(胆碱能神经元上特异性表达光敏感通道)小鼠杂交,得到的子代既可以在PV-阳性神经元特异性表达绿色荧光蛋白,又可以在胆碱能神经元上特异性表达光敏感通道,这样有助于我们做膜片钳全细胞记录时准确识别PV神经元；其次,我们在Chat-ChR2小鼠,VGAT-ChR2(γ氨基丁酸能神经元特异性表达光敏感通道)小鼠基底前脑表面埋入电极,用来检测小鼠睡眠过程中的脑电以及肌电的变化,在丘脑网状核的上面植入光纤,用来把473 nm蓝光导入丘脑网状核,激活Chat-ChR2小鼠的胆碱能神经末梢或者VGAT-ChR2小鼠的γ氨基丁酸能神经元；再次,对于需要给药的实验,我们在丘脑网状核的上面植入导管,在实验前的半小时把药物缓慢导入丘脑网状核,然后再把光纤通过导管植入丘脑网状核的上面。实验中,我们发现,第一,刺激丘脑网状核的胆碱能神经末梢,在PV神经元上可以记录到兴奋性的突触后电流和簇状发放的动作电位,并且可以被N型α7乙酰胆碱能受体特异性抑制剂MLA阻断掉；第二,行为学实验中,刺激Chat-ChR2小鼠丘脑网状核的胆碱能纤维可以在诱导出睡眠纺锤波,并且可以促进睡眠的起始,延长睡眠中的慢动眼时相；第三,我们分析了睡眠中的纺锤波变化,发现受刺激的Chat-ChR2小鼠的睡眠纺锤波的密度明显比未受刺激的要高,并且睡眠纺锤波的密度和非快动眼睡眠的时长有着正相关的关系；第四,直接激活丘脑网状核的γ氨基丁酸能能神经元,可以起着和激活胆碱能神经末梢同样的作用,促进睡眠的起始,改变睡眠的结构,延长睡眠中的慢动眼时相。这些结果说明了丘脑网状核的胆碱能投射,能通过N型α7乙酰胆碱能受体兴奋突触后的γ氨基丁酸能能神经元,一方面可以产生纺锤波,另一方面可以发出抑制性的信息到背侧丘脑的各个区域,进而促进睡眠的起始并延长非快动眼睡眠的时长,而对快动眼睡眠却不产生影响。综上,系统结合电生理,行为学,药理学及生化的方法,借助光遗传学技术,我们研究了丘脑网状核胆碱能投射在睡眠调节中的作用。这些结论和传统观点认为胆碱能系统在觉醒机制中起着重要作用相反。因此我们的研究为胆碱能系统对生物节律的调控增加了新的认识和观点,对于失眠症患者的治疗也提供了新的靶点。