主要的睡眠驱动力随着清醒时间的增加而增加，并最终变得不可抵抗。缺乏睡眠会导致增加尝试入睡，而随之而来的非快速眼动（NREM）睡眠则变得更长更深，这可以通过以电极脑电图（EEG）测量的δ波段振荡活动（约0.5-4 Hz）来评估。尽管已经识别出调节睡眠和清醒的广泛神经回路，但产生强烈睡眠欲望的机制仍然不明。人类和动物研究已经确定了调节睡眠量或睡眠EEG特征的遗传位点，并认为线粒体氧化还原状态、磷酸化和分泌因子与睡眠不足相关，但相关的神经回路机制尚不明晰。在这项研究中，我们使用全面的激活映射和基因靶向操控来识别调节睡眠驱动力的特定神经元群体。大脑对睡眠剥夺和恢复的反应为了确定大脑如何对延长清醒做出反应，我们使用诱导梳理行为或新奇物体暴露在光照阶段（老鼠的休息阶段）开始时剥夺老鼠6小时的睡眠。即早基因Fos标记控制如进食或饮水等稳态行为的激活神经元，并先前揭示了促进睡眠或与生物节律相关的大脑区域。因此，在睡眠剥夺期间的四个时间点以及在3小时恢复期间的两个时间点，老鼠被安乐死以进行全脑FOS免疫染色、组织清理和光片成像。为控制刺激特定的影响，我们将这些实验与黑暗阶段的睡眠剥夺进行比较。此外，我们分析了三个小时的生物节律时间间隔，以在未扰动行为期间比较睡眠剥夺与正常增加的睡眠驱动力。在自动检测和注册FOS + 细胞核到一个共同的大脑图谱之后，对FOS密度在实验时间点的体素划分聚类显示出睡眠剥夺和恢复期间三种主要的体素响应类型：早期峰值类型，可能反映睡眠剥夺刺激的开始（类型1）；与睡眠相关的类型（类型2）；以及与清醒时间成比例的、与清醒相关的类型（类型3）。为了支持对这组数据集的探索，该数据集涵盖了162个大脑在26个条件下的情况，我们创建了一个网络资源，目前可在 https://sleep-wake-atlas.scicore.unibas.ch/ 获得。图1：全脑活动绘图揭示了睡眠剥夺和恢复的相关性。a，生物节律和睡眠剥夺实验的示意图。为了进行未扰动的生物节律比较，每3小时收集一次大脑（黑色箭头）进行FOS免疫染色、组织清理和体积成像。ZT，时间信号时间。剥夺实验包括剥夺期间的四个时间点和恢复期间的两个时间点。n = 6或7个大脑每个时间点用于生物节律和光照阶段剥夺；n = 4个大脑每个时间点用于黑暗阶段剥夺。b，剥夺实验中每个20个集群的平均响应，分类为类型1（早期峰值；橙色）、类型2（恢复峰值；品红色）或类型3（剥夺响应；绿色）。虚线，6小时剥夺时间点。顶部行，基于诱导梳理的睡眠剥夺的响应类型。底部行，基于新奇物体的睡眠剥夺的响应类型。c，基于梳理和新奇物体睡眠剥夺的类型1-3响应的解剖概述。d，类型1-3集群内示例子区域的平均FOS响应，在所有实验中针对每个区域重新缩放，并按照b、c中的颜色显示。底部行，按响应类型划分的所有区域的响应。灰色阴影表示黑暗阶段（关灯）。平均值±标准误。**** P < 0.0001，响应类型与时间的交互作用，对于每个实验的所有成对比较，进行双向方差分析（ANOVA）。A1，听觉皮层；DG，齿状回；LHAdl，外侧下丘脑区外侧部分；pHbMB，边缘下丘脑中脑；PTh，后丘脑；S1，体感皮层；V1，视觉皮层；VMHdm，腹内侧下丘脑，背内侧部分；VTA，腹侧被盖面积。见扩展数据图3。e，在未干扰和睡眠剥夺条件下清醒时间的比例，顺序与d相同。平均值±标准误。每种条件下八只代表性小鼠的数据。源数据类型1的响应在睡眠剥夺1.5-3小时内达到峰值，随后衰减，而类型2的响应在恢复阶段达到峰值。相比之下，类型3的响应在6小时的剥夺期间表现出累积或持续的模式，并在随后的恢复阶段衰减。