Abstract Animals undertake specific behaviors before sleep. Little is known about whether these innate behaviors, such as nest building, are actually an intrinsic part of the sleep-inducing circuitry. We found, using activity-tagging genetics, that mouse prefrontal cortex (PFC) somatostatin/GABAergic (SOM/GABA) neurons, which become activated during sleep deprivation, induce nest building when opto-activated. These tagged neurons induce sustained global NREM sleep if their activation is prolonged metabotropically. Sleep-deprivation-tagged PFC SOM/GABA neurons have long-range projections to the lateral preoptic (LPO) and lateral hypothalamus (LH). Local activation of tagged PFC SOM/GABA terminals in LPO and the LH induced nesting and NREM sleep respectively. Our findings provide a circuit link for how the PFC responds to sleep deprivation by coordinating sleep preparatory behavior and subsequent sleep.

SUMMARY The preoptic hypothalamus regulates both NREM and REM sleep. We found that calcium levels in mouse lateral preoptic (LPO) neurons were highest during REM. Deleting the core GluN1 subunit of NMDA receptors from LPO neurons abolished calcium signals during all vigilance states, and the excitatory drive onto LPO neurons was reduced. Mice had less NREM sleep and were incapable of generating conventionally classified REM sleep episodes: cortical theta oscillations were greatly reduced but muscle atonia was maintained. Additionally, mice lacking NMDA receptors in LPO neurons had highly fragmented sleep-wake patterns. The fragmentation persisted even under high sleep pressure produced by sleep deprivation. Nevertheless, the sleep homeostasis process remained intact, with an increase in EEG delta power. The sedative dexmedetomidine and sleeping medication zolpidem could transiently restore consolidated sleep. High sleep-wake fragmentation, but not sleep loss, was also produced by selective GluN1 knock-down in GABAergic LPO neurons. We suggest that NMDA glutamate receptor signalling stabilizes the firing of “GABAergic NREM sleep-on” neurons and is also essential for the theta rhythm in REM sleep.

Rapid eye movement (REM) sleep has been hypothesized to promote emotional resilience, but any neuronal circuits mediating this have not been identified. We find that in mice, somatostatin (Som) neurons in the entopeduncular nucleus (EPSom)/internal globus pallidus are predominantly active during REM sleep. This unique REM activity is both necessary and sufficient for maintaining normal REM sleep. Inhibiting or exciting EPSom neurons reduced or increased REM sleep duration, respectively. Activation of the sole downstream target of EPSom neurons, Vglut2 cells in the lateral habenula (LHb), increased sleep via the ventral tegmental area (VTA). A simple chemogenetic scheme to periodically inhibit the LHb over 4 days selectively removed a significant amount of cumulative REM sleep. Chronic, but not acute, REM reduction correlated with mice becoming anxious and more sensitive to aversive stimuli. Therefore, we suggest that cumulative REM sleep, in part generated by the EP → LHb → VTA circuit identified here, could contribute to stabilizing reactions to habitual aversive stimuli.

Sleep deprivation induces a characteristic rebound in NREM sleep accompanied by an immediate increase in the power of delta (0.5 - 4 Hz) oscillations, proportional to the prior time awake. To test the idea that galanin neurons in the mouse lateral preoptic hypothalamus (LPO) regulate this sleep homeostasis, they were selectively genetically ablated. The baseline sleep architecture of LPO-DeltaGal mice became heavily fragmented, their average core body temperature permanently increased (by about 2 degrees C) and the diurnal variations in body temperature across the sleep-wake cycle also markedly increased. Additionally, LPO-DeltaGal mice showed a striking spike in body temperature and increase in wakefulness at a time (ZT24) when control mice were experiencing the opposite - a decrease in body temperature and becoming maximally sleepy (start of lights on). After sleep deprivation sleep homeostasis was largely abolished in LPO-DeltaGal mice: the characteristic increase in the delta power of NREM sleep following sleep deprivation was absent, suggesting that LPO galanin neurons track the time spent awake. Moreover, the amount of recovery sleep was substantially reduced over the following hours. We also found that the alpha2 adrenergic agonist dexmedetomidine, used for long-term sedation during intensive care, requires LPO galanin neurons to induce both the NREM-like state with increased delta power and the reduction in body temperature, characteristic features of this drug. This suggests that dexmedetomidine over-activates the natural sleep homeostasis pathway via galanin neurons. Collectively, the results emphasize that NREM sleep and the concurrent reduction in body temperature are entwined at the circuit level.

SUMMARY REM sleep has been hypothesized to promote emotional resilience, but any neuronal circuits mediating this have not been identified. We find that in mice, somatostatin (Som) neurons in the entopeduncular nucleus (EP Som )/internal globus pallidus are predominantly active selectively during REM sleep. This unique REM activity is necessary and sufficient for maintaining normal REM sleep. Inhibiting or exciting EP Som neurons reduced or increased REM sleep duration, respectively. Activation of the sole downstream target of EP Som neurons, Vglut2 cells in the lateral habenula (LHb), increased sleep via the ventral tegmental area (VTA). A simple chemogenetic scheme to periodically inhibit the LHb over 4 days selectively removed a significant amount of cumulative REM sleep. Chronic REM reduction correlated with mice becoming anxious and more sensitive to aversive stimuli. Therefore, we suggest that REM sleep, in part generated by the EP→LHb→VTA circuit identified here, could contribute to stabilizing reactions to habitual aversive stimuli.

ABSTRACT When mice are exposed to external warmth, nitric oxide synthase (NOS1) neurons in the median and medial preoptic (MnPO/MPO) hypothalamus induce sleep and concomitant body cooling. However, how these neurons regulate baseline sleep and body temperature is unknown. Using calcium photometry, we show that NOS1 neurons in MnPO/MPO are predominantly NREM active. This is the first instance of a predominantly NREM-active population in the PO area, or to our knowledge, elsewhere in the brain. In addition to releasing nitric oxide, NOS1 neurons in MnPO/MPO can release GABA, glutamate and peptides. We expressed tetanus-toxin light-chain in MnPO/MPO NOS1 cells to reduce vesicular release of transmitters. This induced changes in sleep structure: over 24 hours, mice had less NREM sleep in their dark (active) phase, and more NREM sleep in their light (sleep) phase. REM sleep episodes in the dark phase were longer, and there were fewer REM transitions between other vigilance states. REM sleep had less theta power. Mice with synaptically blocked MnPO/MPO NOS1 neurons were also warmer. In particular, mice were warmer than control mice at the dark-light transition (ZT0), as well as during the dark phase siesta (ZT16-20), where there is usually a body temperature dip. Also, at this siesta point of cooled body temperature, mice usually have more NREM, but mice with synaptically blocked MnPO/MPO NOS1 cells showed reduced NREM sleep at this time. Overall, MnPO/MPO NOS1 neurons promote both NREM and REM sleep and contribute to chronically lowering body temperature, particularly at transitions where the mice normally enter NREM sleep.