无可逃避的睡眠冲动:睡眠与镇静的重叠机制

2021
11/12

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古麻今醉
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我们为什么要睡眠?我们每一个人都经历过睡眠剥夺,之后的睡眠冲动强烈、原始且无可逃避。保持清醒的时间越长,则睡眠欲望益强烈,无论如何抗拒,我们都将无可避免地屈服。尽管进行了大量研究,但人类为何需要睡眠仍然是神经科学中最令人困惑的问题之一。了解睡眠驱动的生化或环路基础将有助于借助新一代的镇静药物人为地调控睡眠。在本文,我们将讨论人类为什么需要睡眠及睡眠不足时促使我们进入睡眠的机制,以及某些麻醉药物和镇静药物是否与自然驱动的睡眠之间共享部分机制以影响人类的意识状态。

我们必须睡觉吗?如果是,为什么?

尽管人们常说“所有动物都要睡觉”,但这并不能证明所有类型的动物都以相同的方式或出于相同目的进入睡眠。睡眠对人类似乎有益,且很明显地在某种程度上具有恢复作用。此外,生活经验告诉我们睡眠不足是有害的。短期内睡眠不足会降低我们的思考能力和判断力,导致免疫力下降等。最近一项研究追踪了近8000名政府雇员长达25年,从中年到七十岁左右,结果表明在50至60岁之间长期睡眠不足(每晚睡6h或更少)的人群中,痴呆症的发病率更高。因此,从长期影响来看,睡眠不足与疾病增加成正相关。

我们可以通过大脑和肌肉的外部电信号来监测睡眠,在脊椎动物中,睡眠可以分为非快速眼动(NREM)睡眠和快速眼动(REM)睡眠,或者是类似NREM和REM的睡眠。根据物种的不同,这些睡眠状态的生理特性和时长也不同。睡眠状态中一些常见但尚不为人知的特性可能是睡眠必不可少的关键因素。对睡眠的需求可能起源于细胞水平,神经元因清醒时间延长而疲劳,类似于运动时骨骼肌的代谢疲劳,但不清楚是否大脑的所有部位都需要睡眠,如驱动呼吸的环路似乎就无需休息。

尽管睡眠有很多表现形式,但是否有一个核心原因让睡眠成为必须?虽然有很多活动仅会在睡眠期间发生,但这些活动可能并不是我们必须睡觉的根本原因。在产生的数百个小鼠突变体中,至今未发现不表现出NREM睡眠的突变小鼠。许多突变会影响NREM睡眠的深度或时间(例如昼夜节律突变),迄今为止,所有突变都属于NREM睡眠。在研究睡眠的神经环路中,睡眠中心的损伤可以永久性地减少啮齿动物的睡眠量,但总是会保留部分睡眠。到目前为止,还没有细胞或环路损伤能消除所有的睡眠。

那么,睡眠的具体作用是什么呢?一种普遍但在我们看来错误的观念是,因为睡觉剥夺会导致种种健康损害,所以我们需要睡觉。事实上,睡眠似乎更有可能是让身体基本生理的内部代谢或合成过程发生,而这些功能是健康大脑与机体所必需的。当睡眠被剥夺时,将导致一种或多种缺陷,因此,其对大脑正常运作的基本结构或代谢过程至关重要。在思考这些功能可能是什么时,最重要的是它们显然不能出现在清醒的大脑中,当我们进入睡眠状态时,一些基本的恢复过程正在进行,而此时正常的大脑功能至少部分暂停,机体的无意识状态也许才是关键。

与意识对立的是那些涉及大脑结构变化的机制。例如,类淋巴系统假说,类淋巴系统是指脑内存在类似于外周淋巴系统功能的结构。通过血管周围间隙以及血管周围星形胶质细胞细胞,实现脑脊液与组织液的交换,从而清除组织液中一些代谢废物。研究表明在NREM睡眠中,组织间隙扩大,血管周围星形胶质细胞终足收缩,以增强类淋巴的流动,促进代谢物质清除。同样的,任何通过重塑突触来平衡清醒期间获得的神经网络活动的行为,都可能影响认知活动或意识,可能只能在大脑“离线”时进行。另一个需要考虑的因素是温度,在持续的NREM睡眠期间,小鼠的大脑皮质温度下降了约2°C(图 1B)。事实上,存在特定的下丘脑环路来调控大脑并同时诱导NREM睡眠,有研究者提出睡眠的一个关键功能是保存能量。

然而,对于人类来说,睡眠温度降低只会适度地节省代谢能量(约相当于两片面包)。NREM睡眠期间的体温下降能够促使冷诱导RNA结合蛋白和RNA结合基序蛋白3(RBM3)基因表达,这些基因编码的蛋白质可能是结构重塑所必需的(它们也可在一些冬眠动物中生成)。此外,即便只是降低1-2°C,也会延长抑制性突触后电流,其程度与许多全身麻醉药物在镇静剂量下的效果大致相同(图 1B),影响正常认知功能,即睡眠的形成需要以上过程。最后,在NREM和REM睡眠期间形成的δ波和θ波,对于睡眠期间神经网络的重新平衡很重要,且这类脑电波可能并不出现于正常认知状态。氯胺酮抑制正常认知功能时所产生脑电波的改变就是一个很好的例子,其在压后部皮层的第5层锥体神经元中形成δ节律(1-3Hz),产生与正常清醒状态截然不同的感觉与运动分离。

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Fig 1. 睡眠最可能原因是使体内基本生理的代谢过程发生.(A)清醒时,大脑功能会逐渐退化,直到达到触发睡眠的程度,失去意识,开始修复。警戒状态的这种变化反映在脑电图功率谱中,从低频向高频移动,峰值频率为δ(0.5至4 Hz),这是非快速眼动睡眠的特征。随着NREM的延长,大脑温度下降。如果睡眠延迟,大脑就会继续退化,直到一定程度,就会不可避免地进入睡眠状态。  (B) 在持续的NREM期,大脑降温约1.5°C,将延长抑制性突触后电流,其程度与麻醉药物的镇静剂量大致相同。 

与NREM睡眠相反,REM睡眠可能不是生命所必需的。从基因上清除小鼠的所有REM且没有明显不良影响是可能的。另一方面,也许出乎意料的是,那些报道有良好睡眠的人,其REM睡眠具有良好的连续性,而稳定的NREM睡眠似乎对感知夜间睡眠质量好坏却并不太重要。REM期间大脑处于活动状态且温度升高,REM睡眠总是在NREM睡眠之后,因此两者功能相互关联,如REM可以作为一种规律,用来检测NREM的恢复功能是否已经完成。如果完成,我们就醒了,但需要解决的一个重要问题是NREM和REM周期的时间和顺序由什么所决定?

驱动睡眠的稳态

在许多物种中,睡眠剥夺会增加NREM和REM睡眠的驱动力。这种驱动睡眠稳态的理念认为一些重要的恢复流程正在进行,也是我们必须“弥补”所失去睡眠的原因。然而,这种弥补不仅与数量有关,而且与质量相关,至少对于NREM睡眠而言是这样。例如,如果我们错过一晚7h的睡眠,我们的下一晚睡眠可能主观上“更深”,并且可能更长。虽然这种深度睡眠在生理上提供了什么仍然是个谜,但目前普遍认为的是,人类和其他脊椎动物NREM深度的可靠标志是出现脑电图在功率(0.5-4Hz)范围的波段,尤其是δ波,在睡眠剥夺后显着增加,能迅速反弹,但要恢复实际的睡眠损失还需要更多的时间,表明δ波以外的恢复过程也同样在进行(图2)。

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Fig.2. 在被新事物剥夺睡眠后,小鼠δ波会迅速反弹,但恢复失去的睡眠却需要更长时间。在使用新物品剥夺睡眠6h后,失去的睡眠会在接下来的24h内恢复,但δ波的反弹仅在6h后就会回到基线。对某群特定的神经元选择性地基因清除,可以极大地降低睡眠稳态。如在外侧视前下丘脑中选择性地清除甘丙肽能神经元,则使得睡眠稳态大大减弱。

我们可以在一定程度上有意识地对抗困倦,是一种来自大脑皮层自上而下的控制,将意志强加于“睡眠中枢”,我们可能决心保持清醒,但最终我们无可避免地需要睡眠。经过一段时间的剧烈皮层活动后,即使动物表现得好像是清醒的,新皮层区域的局部δ波也会“爆发”。那么有人可能会问,如果这种受限制的“睡眠”在局部能提供恢复性益处,那为什么整个动物都需要停止活动,进入整体睡眠?为什么大脑不能不断地让较小的区域进入“睡眠”,以便在整个动物水平上仍然可以正常发挥作用?我们认为睡眠是动物整体性的行为,而这不能在局部实现,局部δ波的增加显然不能够满足全脑范围内的睡眠需求。

睡眠驱动可以独立于δ波,通过行为改变进行评估。当我们严重睡眠不足时,我们会非常有动力去寻找睡眠方式,如强烈的口渴和饥饿会促使我们喝水与吃饭。睡眠不足时,为了睡觉我们几乎会做任何事情。对于睡眠驱动,研究表明视前下丘脑具有显著的促睡眠作用,但睡眠驱动的环路基础可能比最初预想的更分散(图3A)。事实上,在小鼠中诱导NREM和REM睡眠的环路本身就分布广泛,可能分布于整个大脑中的睡眠环路均都能够驱动睡眠稳态。下丘脑视前区甘丙肽能神经元、基底前脑胆碱能神经元、中脑腹侧被盖区 (ventral tegmental area,VTA) GABA 神经元、中缝5-羟色胺能神经元、新皮质第5层锥体神经元和星形胶质细胞被认为是调节睡眠稳态的神经递质,但目前却并不清楚这些分布的环路是如何感知“疲劳信号”。

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Fig. 3.分布的环路感知局部睡眠需求,触发全脑睡眠,而镇静药物会阻断其中部分通路。(A) 目前数据支持以下模型:分布的环路感知局部睡眠需求,而后可能由外侧下丘脑(红色)触发整体睡眠。除了这个被认为是“疲劳”的环路,神经胶质和肌肉的信号也有助于驱动睡眠。(B) 人类在深度NREM期间的大脑活动与全身麻醉和镇静剂引起的大脑活动非常相似。图示PET显示的各种状态下局部脑血流变化。BF,,基底前脑;CTX,大脑皮层;PO,下丘脑视前区   

更好地理解睡眠驱动和睡眠需求是如何被“定时”的,有助于揭示睡眠的功能。在果蝇中发现睡眠驱动追踪清醒状态的一种方法,包括随着清醒时间延长氧化还原状态改变和钾通道活性的变化,导致促睡眠神经元的放电频率增加。从理论上说,这种机制也适用于哺乳动物。然而在脊椎动物中,追踪清醒时间延长产生NREM睡眠增加的确切生理过程仍不清楚。自1892年Rosenbaum开始,人们多次提出一种简单但让人信服的观点,即有一种物质能够追踪清醒、反馈进而诱导睡眠,并在睡眠期间降解。腺苷(adenosine,Ado)是最著名的候选分子,随着清醒时间延长,在特定的脑区中积累,如基底前脑,Ado(或三磷酸腺苷)可以从基底前脑和星形胶质细胞的胆碱能神经元中分泌。除了多种代谢作用外,腺苷还可以通过代谢型受体发挥作用,诱导产生NREM睡眠。虽然这个理论颇具吸引力,但目前缺乏明确的证据证明腺苷是睡眠驱动的主要原因,特别是因为腺苷增加与长期睡眠相关。清醒似乎只发生在少数大脑区域,但睡眠稳态环路分布广泛。目前也已经明确其他可能的睡眠诱导因子,包括白细胞介素-1β和肿瘤坏死因子-α,睡眠剥夺期间大脑皮质中睡眠诱导因子分泌会增加。另外,大脑并不是诱导睡眠发生的全部,外周组织可以产生睡眠信号;来自骨骼肌的某些因素有助于睡眠驱动,这或许可以解释为什么运动通常会引起困倦。

磷酸化水平能够追踪睡眠需求。在小鼠中,盐诱导激酶-3(Sik3)基因的功能获得性突变使得δ波定义的NREM睡眠减少,但增加了睡眠总量。Sik3表达广泛,包括在外周器官,并能够在整个大脑中发挥作用,与睡眠稳态促进环路保持一致。目前尚不清楚觉醒如何激活Sik3,但这种激酶的靶点很多。在小鼠中,随着觉醒进展,前脑中许多蛋白质的磷酸化(和去磷酸化)稳步增加,包括离子通道,可能会增加或减少促睡眠神经元的放电或抑制促觉醒神经元。

一个普遍被忽视的问题是:什么决定了我们何时醒来?虽然受昼夜节律的影响,但从令人神清气爽的睡眠中醒来,表明睡眠的稳态过程已经完成。因此,目前推测睡眠的恢复过程可会被持续监测,以明确大脑现在已准备好醒来。这可能与上面讨论的NREM-REM周期相关,因我们倾向于从REM睡眠中醒来。 

药物能够提供自然睡眠的恢复性益处吗?

一定程度睡眠剥夺后的睡眠冲动是如此强烈,以至类似于药物引起的镇静。当我们准备手术时,“我只是要给你一些东西让你睡觉”是一个几乎普遍使用且令人欣慰的比喻。虽然适宜手术的深度麻醉最好地被描述为可逆性昏迷,较低浓度的麻醉药物能够产生镇静作用。使用MRI检测人类大脑活动的整体模式在 NREM 睡眠期间和右美托咪定或丙泊酚镇静后具有相似性(图3B)。给予右美托咪定进入类似于第3阶段NREM睡眠状态,是目前最深的睡眠类型,我们现在知道这是因为镇静与麻醉药物可以在通过睡眠-觉醒环路发挥作用,特别是在中脑环路中,包括外侧缰核、VTA和下丘脑,以模拟NREM睡眠(但没有已知药物能够模拟REM睡眠)。例如,有助于NREM睡眠稳态的下丘脑视前区甘丙肽能神经元部分介导了右美托咪定诱导的可唤醒NREM睡眠。丙泊酚和异氟烷均可诱导镇静,部分是通过激活对NREM 睡眠稳态具有重要作用的脑部结构,外侧缰核。通过化学遗传学选择性激活VTA中 GABA 神经元会产生一种特别深的、类似镇静的 NREM 状态,能够持续4到5h,而激活VTA- GABA能神经元能够增强异氟烷和七氟烷麻醉,抑制则具有促进麻醉苏醒的作用,VTA -GABA神经元同样是睡眠稳态所必需的。因此,这些细胞或其中特定分类未来可能成为提供恢复性益处的新型镇静剂的潜在靶点。 

目前是否有证据表明当前的镇静药物具有恢复性益处?正如许多人所经历的一样,从手术中恢复可能会令人筋疲力尽,且感受与恢复性益处相反。然而,这些手术中所经历的创伤很容易掩盖镇静药物本身可能带来的任何有益的恢复。更重要的是,由于我们并不清楚睡眠的这些恢复性益处是什么,我们无法直接监测其是否在镇静期间产生。相反,我们必须依靠其他措施,如监测脑电图δ波。如上所述,但这更可能与睡眠深度而非任何恢复过程相关;另外,令人困惑的是许多药物会影响EEG振荡的形状,但与驱动的原因无关。如麻醉药物丙泊酚和异氟烷可增强GABA对GABAA受体的作用,降低与睡眠无关的脑电图波段。但是,这些药物,睡眠与镇静期脑电图的直接比较并不容易;更好的方法是确定镇静药物是否可以在睡眠剥夺后偿还“睡眠债务”。一些麻醉药物可以偿还NREM睡眠债务,但很少能偿还REM的睡眠。即使目前的镇静药物作用于自然睡眠途径,但其作用肯定更为广泛,其受体往往并不限于睡眠相关环路。此外,镇静期间不会产生 NREM-REM 循环的自然模式,目前的药物显然不能完全模拟自然睡眠。因此,在开发出一种选择性作用于睡眠通路的药物之前,我们无法明确药物是否可以人为地提供睡眠的恢复益处。 

结论

无可避免的睡眠冲动影响着我们所有人的生活。我们睡觉最可能的原因是让身体基本的内部生理代谢或合成过程发生,而这些过程需要一个无意识的大脑。与镇静药物相似,持续NREM期大脑温度下降能够延缓抑制性突触后电流的发放。如果睡眠被剥夺,将导致大脑功能出现多种缺陷;恢复性睡眠提示机体内合成或分解代谢过程的发生。睡眠需求是由分布在整个大脑中的局部环路所感知,并最终触发整体睡眠。理论上而言,应能够开发出更有选择性地针对自然睡眠恢复特性的药物。 

编译,审校:张瑜,罗猛强

原文链接:

Franks NP, Wisden W. Theinescapable drive to sleep: Overlapping mechanisms of sleep and sedation.Science. 2021 Oct 29;374(6567):556-559. doi: 10.1126/science.abi8372. Epub 2021Oct 28. 

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关键词:
睡眠,NREM,可能,大脑,驱动

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