传统观点认为:小脑是一个重要的大脑皮层下运动调节中枢,其功能主要是调节肌张力、维持身体平衡和协调随意运动。新近研究报道,小脑还广泛参与了认知、空间导航、奖赏、社会交往、恐惧记忆等多种非运动功能。特别是,临床研究发现,小脑的损害不仅会导致运动相关的功能障碍,还引起患者睡眠-觉醒状态的异常。动物实验表明,损毁小脑会导致猫的觉醒时间减少,睡眠时间增加。神经解剖研究则发现:小脑与多个参与维持和/或促进觉醒的脑区相联系。综上研究提示,小脑可能参与睡眠-觉醒状态的调控。然而,目前对于小脑是否以及如何参与睡眠-觉醒状态调控尚不清楚。为此,本课题利用在体多通道记录技术,观察了小鼠自然睡眠-觉醒周期过程中小脑神经元的活动及其特征。进一步,我们利用病毒示踪技术特异标记投射至腹侧丘脑的小脑深部核团神经元(简称DCN ^VL/VM),解析其递质类型、形态学特点和环路联系。结合光遗传学控制技术,初步揭示DCN ^VL/VM神经元的基本工作原理。结果:1.小脑神经元在睡眠-觉醒周期中的活动1)小脑皮层浦肯野细胞在觉醒期的兴奋程度显著高于NREM睡眠期和REM睡眠期。在睡眠-觉醒状态转换的过程中,浦肯野细胞发放活动会发生阶段特异性变化。从睡眠（包括NREM和REM）向觉醒期状态转换时,浦肯野细胞活动显著增加,且这种增加早于觉醒状态的出现。而在觉醒向NREM睡眠转换时,浦肯野细胞的活动显著减弱,这种减弱同样早于NREM睡眠状态的出现。2)小脑皮层非浦肯野细胞在觉醒期和REM睡眠期的兴奋程度显著高于NREM睡眠期。在从NREM睡眠向觉醒转换时,非浦肯野细胞的放电活动会显著增强。但从REM睡眠向觉醒转换时,其活动无显著变化。而在从觉醒向NREM睡眠转换时,非浦肯野细胞的放电活动会显著减弱。3)在睡眠-觉醒周期及其转换时,小脑皮层非浦肯野细胞向浦肯野细胞存在显著的兴奋性单突触输入。4)小脑深部核团神经元在觉醒期、NREM睡眠和REM睡眠期的兴奋程度无显著差异。在从NREM睡眠向觉醒转换时,小脑深部核团神经元的放电活动会显著减弱;相反,在从觉醒向NREM睡眠转换时,小脑深部核团神经元放电活动会显著增强。2.腹侧丘脑投射的小脑深核神经元环路联系与工作原理1)DCN ^VL/VM神经元在向腹侧丘脑发出投射的同时,其侧支可以与小脑皮层中浦肯野细胞形成突触联系。2)光遗传抑制DCN ^VL/VM神经元,可引起浦肯野细胞放电频率增加。相反,光遗传兴奋DCN ^VL/VM神经元,可引起浦肯野细胞活动频率减弱;3)DCN ^VL/VM神经元通过与浦肯野细胞的抑制性功能联系,可改变浦肯野细胞活动,间接引起DCN内更为广泛的神经元活动变化。4)光遗传学激活DCN ^VL/VM神经元可以显著地影响前扣带回神经元活动。结论:1.小脑皮层浦肯野细胞和DCN神经元在小鼠睡眠-觉醒周期转换的过程中会发生显著的活动变化,且这种变化先于状态转换的启动。2.投射至腹侧丘脑的DCN ^VL/VM神经元在向腹侧丘脑区发出投射的同时,其侧支可投射至小脑皮层浦肯野细胞,与之形成抑制性的突触联系。3.光遗传激活DCN ^VL/VM神经元活动,可以抑制改变浦肯野细胞活动,间接引起DCN中更为广泛的神经元活动变化,进而放大DCN的输出效应,并显著影响大脑皮层区神经元的活动。综上,本课题从细胞水平上探究了小脑不同类型神经元在睡眠-觉醒周期中的活动模式,初步揭示了其参与睡眠-觉醒调控的可能环路及其工作原理。这为拓展小脑生物学新功能的认识,以及为治疗小脑损伤相关的睡眠-觉醒周期紊乱提供了新的思路。