导读

十一长假后的第一个工作日，我们是否感到有些困顿疲乏，为什么人会在晚上睡觉、白天醒来?为什么长时间不睡觉会变得无法思考?

它们都与睡眠、生物节律息息相关。事实上，睡眠-觉醒的调控一直是科学家们不断探索的问题，而这也是许多大众关心的问题。

目前，睡眠障碍问题正困扰着许多人，我国至少有3亿人存在睡眠障碍。到底是什么深层原因导致了睡眠障碍，这与大脑脑区和神经调控有什么关系?睡不好觉是否也会遗传?

近日，中科院脑智卓越中心高级研究员、中国睡眠研究会生理与药理专委会主任委员徐敏在由浙大基础医学创新研究院等单位主办的“源创论坛”上给我们分享了“睡眠-觉醒行为的调控机制”，由浅入深地回答了这些我们一直好奇的问题。

01 睡眠是最重要的基础研究问题之一

问：所有动物都需要睡眠吗?

徐敏：睡眠是一个普遍存在的行为，无论是高等的哺乳动物，还是相对低等的如鸟类、鱼类、昆虫、水母，都有睡眠或类似睡眠的现象，可以说我们所研究的动物都有睡眠现象。“为什么我们需要睡眠”，这是睡眠研究领域最重要的基础研究问题之一。

不同动物的睡眠具有多样性，以哺乳动物为例，不同的哺乳动物睡眠时长差异非常大，比如长颈鹿每天只需要睡2小时，猫科动物每天需要更长的睡眠时间，而蝙蝠的睡眠时间甚至长达20个小时。睡眠时长的多样性也从侧面反映出睡眠行为是一个被高度调控的行为。

问：为什么要研究睡眠?目前这方面有哪些问题?

徐敏：睡眠是一个非常重要的基础研究，美国《科学》杂志2005年总结了125个重要的技术前沿问题，其中就有关于睡眠领域的基础前沿问题，大致可以总结为下面两个：

1. 睡眠行为的核心功能是什么。这里包括慢波睡眠和快速眼动睡眠分别对应的功能。即使睡眠对所有的动物来说都是必须的，但我们目前并不清楚为什么需要睡眠。

2. 另一个方面，睡眠行为是如何被大脑控制的，无论是深度睡眠，还是快速眼动睡眠，我们对其调控机制都不是确切地了解。

问：人类的深度睡眠一般在哪个时间段发生?

徐敏：睡眠行为的高度调控还表现在另一个方面，以哺乳动物的睡眠为例，睡眠可以分为不同的睡眠时相，从典型的睡眠时相图可以看到，我们先是进入一期二期的浅睡，再到三期的深度睡眠。

随后，我们会进入到快速眼动睡眠中，这个过程非常有意思，因为这个时期会有活灵活现的梦境发生。从睡眠时相中可以看出，睡眠是非常有规律的，在刚入睡的时候，深度睡眠的比例相对较高，在后半夜的时候有大量的快速眼动睡眠。

问：为什么一到晚上就会犯困?睡眠-觉醒行为的调控机制是什么?

徐敏：提到睡眠-觉醒的调控机制，最著名的模型就是1982年Borbely提出的双进程模型，这里面有两个过程：1. 睡眠稳态，2. 昼夜节律。

昼夜节律的问题比较容易理解，我们生活的地球上有24小时的昼夜变化，所以地球上演化出来的生物一定程度都会表现出对环境的适应，这种对环境的适应形成了一种自身的生物钟，生物钟调控了包括睡眠在内的几乎所有的重要生理功能，它并非是睡眠过程特有的。

睡眠稳态的调控可以说是睡眠调控里最重要的特征，它是指觉醒期间，随着觉醒时间的不断延长，睡眠压力会越来越高，通俗地讲就是越来越困或者越来越想睡觉。当睡眠压力到了一定的阈值时，就需要通过睡眠来释放睡眠压力。

这个看似非常简单的描述指出了睡眠-觉醒调控的关键，觉醒期促睡眠物质的产生是导致我们变困的主要因素。因此，阐明这个促睡眠物质的生物学本质以及它作用的机制，就是了解睡眠-觉醒调控的关键。

实际上，除了睡眠稳态和睡眠节律的调控，还有两个非常重要调控因素，就是神经环路和基因调控。

02 睡眠-觉醒的稳态调控

问：促睡眠物质究竟是什么?它们有哪些特点?

徐敏：最开始对促睡眠物质的证明实验，大约是在100年前，科学家把睡眠剥夺的动物(长时间不睡觉的动物)的脑脊液提取出来，注入正常动物的大脑中，他发现正常动物也会变得很困，这个实验直接说明了我们在白天清醒的时候，大脑中可能是积聚了一些促睡眠物质，这个促睡眠物质让我们变困。

但这个物质具体是什么，科学界暂未确定。总体来讲，促睡眠的物质应该满足以下3个条件：

(1)促睡眠物质在脑中的浓度随着睡眠压力的升高而增加;

(2)人为提高促睡眠物质在脑中的浓度可诱发睡眠;

(3)可作用于调控睡眠-觉醒的脑区和神经元。

按照第三个标准，现在已知的促睡眠物质有腺苷、前列腺素D2、细胞因子、一氧化氮等。目前研究最清楚的是腺苷。

问：腺苷是什么，它是如何调控睡眠-觉醒行为的?

徐敏：腺苷可能很多人不太了解，但提到三磷酸腺苷(ATP)大家肯定都知道，因为它是细胞的能量分子，最终的代谢产物就会形成腺苷。ATP和腺苷都是整个生物体嘌呤代谢通路里非常重要的分子，它们不仅与能量代谢有关，还参与了众多的信号传导过程。

关于睡眠稳态的腺苷理论，科学家认为，由于觉醒期间整个机体的代谢比较旺盛，导致细胞消耗了大量的ATP，最终导致了腺苷的积累。这些积累的腺苷作用于神经元，会导致大脑活动的下降，进一步提高我们的睡眠压力，让我们进入想睡觉的状态。

咖啡有提神醒脑的效果，其实是因为咖啡因是腺苷受体的阻断剂，可以暂时阻断由于腺苷带来的睡眠压力。

问：有哪些研究证明腺苷和睡眠-觉醒的调控有关?

徐敏：关于腺苷与睡眠稳态最著名的研究是1997年在《科学》(Science)上发表的，引用率已超1000次。该研究中，研究者首先测量了猫的基底前脑在睡眠-觉醒的过程中腺苷的浓度变化，发现它们在觉醒期的腺苷浓度相对较高。

更有意思的是，如果让实验动物6小时不睡觉，可以看到腺苷浓度有个缓慢上升的过程。如果再让它进行恢复性睡眠，腺苷浓度又有一个下降的过程。这个腺苷浓度先上升后下降的过程，与前面讲到的睡眠稳态调控中睡眠压力在睡眠-觉醒周期中的变化非常类似。

研究者进一步采用了一种叫NBTI的药物，这种药物可以升高胞外腺苷水平，发现如果选择性升高基底前脑的腺苷浓度，会导致动物睡眠时间的增加。

这两个实验结果结合起来，于是研究者得出一个结论：基底前脑的腺苷是一种控制着睡眠稳态的生理性因子。

问：清除大脑腺苷会一直保持清醒吗?

徐敏：不会。腺苷浓度太低的话，动物可能会患癫痫，因为腺苷是保持大脑状态平衡的非常重要的反馈型号。腺苷只是睡眠-觉醒调控的一个方面，但并不是全部，睡眠的调控过程还包含了其它很多方面的共同作用。

03 睡眠-觉醒的神经环路调控

问：关于神经环路可以调节睡眠-觉醒的证据有哪些?

徐敏：关于睡眠-觉醒调控的神经环路最早的研究，或者说第一个提出切确证据的，也是在100多年前的一个奥地利科学家Von Economo，当时西班牙流感肆虐，同时还爆发了一种病毒性脑炎，Von Economo将其命名为“Sleeping Sickness”。从这个名字就可以看出，患病毒性脑炎的人有一个典型的症状，就是嗜睡。

Von Economo发现这些患者的大脑下丘脑或者脑干部位存在一些损伤，由此他得出结论：下丘脑可能对于维持觉醒有非常重要的作用。这个研究首次有了比较确切地证据，证明大脑里面的某些核团对于控制觉醒有非常重要的作用。

在这之后，美国和意大利的两位科学家在动物上做了进一步的研究，他们在猫身上，采用电损毁或电刺激确定了一个与睡眠-觉醒相关的脑区，命名为脑干网状激活系统，发现如果对这些脑区进行损毁，就会大幅降低动物的觉醒水平。相反，如果是对其进行电激活，可以很快地将睡眠样脑电转化成觉醒样脑电。

随着研究技术的进一步发展，以及我们对神经系统认识的进一步深入，现在我们已经能够比较清楚地知道，这个网状激活系统主要是由脑干、中脑、基底前脑等神经调质系统组成的，其中包括乙酰胆碱、去甲肾上腺素、5-羟色胺等都对睡眠有调节作用，这些神经调制系统有一个共同特征，就是他们都对大脑皮层、丘脑等存在非常弥散的投射，正是这种广泛弥散的投射调控了觉醒过程。

问：睡眠-觉醒是哪些脑区的哪些神经元来控制的?

徐敏：睡眠-觉醒调控的一个重要脑区是基底前脑，之前的许多研究主要是聚焦在这个脑区的胆碱能神经元上，但实际上，胆碱能神经元只是这个脑区的一小部分，这个脑区中还有大量的其他神经元，比如谷氨酸能神经元、Y-氨基丁酸能(GABA)神经元等。至于这些不同种类的神经元在睡眠-觉醒的调控中到底发挥了什么作用，它们的作用是否有差异，还需要进一步研究。

因此，我们这个课题的思路就是，采取一些比较精细的研究手段，对这些不同种类的神经元在睡眠-觉醒的调控中的活动模式和功能进行进一步研究。

我们发现调节小鼠睡眠-觉醒行为的主要有有四种神经元，其中三种神经元都是觉醒神经元，即在动物觉醒的过程中活动水平比较高的神经元，激活它们会促进动物的觉醒。

有意思的是，我们发现有一种特殊的GABA神经元的表达，会选择性地在睡眠时间内升高，我们采用光遗传的手段激活这些细胞，发现可以促进动物的睡眠。

另外，我们在工作中，发现下丘脑一个叫DMH的脑区的下游投射分为两支，一支往一个叫POA的脑区投射，另一个是往脑干投射。我们通过记录和光遗传操控，发现着两群神经元在睡眠周期中的活动模式有很大的区别，并且它们对睡眠-觉醒的调控有相反的作用。这就展示出神经系统的另一种多样性，即表达同样的分子的神经元可以通过不同的下游投射通路发挥不同的作用。

过去十多年的经验告诉我们，睡眠-觉醒其实是一个多脑区协同作用的结果，而非某一个特定脑区调控的结果。

问：神经环路和睡眠稳态之间存在联系吗?这两种不同的调控方式是怎么协同的?

徐敏：睡眠稳态调控和神经环路的调控本质上是同一件事情——大脑对睡眠-觉醒的调控机制，这两种调控机制之间必然存在很紧密的联系，但此前受制于研究手段，我们其实并不能很好地研究它们之间的关联。

近期，得益于一些研究工具的发展，我们实验室开始研究这些神经活动是如何控制睡眠稳态，尤其是针对腺苷的释放问题。其中一个关键工具是北京大学李毓龙教授开发了一种探针，这个探针可能帮助我们对腺苷进行测量。

李毓龙教授研究的探针非常灵敏，它能够大幅度提高腺苷检测的时间分辨率，之前10分钟才能进行采样，现在差不多一秒钟就可以采样一次，可以说是给我们的实验提供了实时检测的条件。

我们还采用了光记录的方法，记录了基底前脑中腺苷在睡眠-觉醒周期上的变化模式。可以看到，在觉醒期(灰色区域)的腺苷浓度非常高，在慢波睡眠期(白色区域)腺苷的浓度相对较低。这个数据与微透析方法测量出的结果相符。

另一方面，我们也观察到，在快速眼动睡眠中基底前脑的腺苷浓度也有非常快速的变化，这从侧面反映出，这种变化很有可能是由神经活动来驱动的。

问：基底前脑神经活动的驱动和腺苷的释放有什么关系?

徐敏：我们首先研究了基底前脑中胆碱能神经元的活动对腺苷的控制作用。

我们采用光记录的方法，同时对神经活动和腺苷释放进行测量。蓝色的是神经活动，绿色的是腺苷，可以看到着两个信号之间有非常好的相关性。同样，从统计学关系中也可以看到，当神经活动高的时候，腺苷浓度也非常高。

另一方面，由于我们采用的两个记录方法的时间分辨率足够高，因此我们可以看到这两个信号之间的时程非常清楚，可以看到神经信号(蓝色)总是提前于腺苷(绿色)的变化。这进一步提示，神经活动很有可能是驱动了腺苷浓度的升高。

为了验证这一猜测是否准确，我们采用光遗传学的手段进行进一步实验。我们选择性地增加胆碱能神经元的活动，观察它能否引起腺苷浓度的变化。可以看到，当我们用激光激活神经活动时，确实可以引起腺苷的浓度变化，这说明胆碱能神经元的活动对腺苷浓度的上升有控制作用。

同样，通过图像可以看到，腺苷的上升幅度较小，而且当我们用激光刺激胆碱能神经元时，有时候会引起腺苷浓度的升高，有时候却不能，说明胆碱能神经元对腺苷释放的控制力较弱，这可能是因为脑区有其他种类的神经元对腺苷浓度的控制有更强的作用。

问：其他神经元的活动与腺苷浓度之间有什么样的关联?

徐敏：我们猜测脑区的谷氨酸能神经元对睡眠-觉醒有更强的控制作用。经测试，我们发现谷氨酸能神经元跟腺苷之间的关联性很强，并且其神经活动总是提前于腺苷的变化。

更为重要的是，当我们采用光遗传手段选择性增加谷氨酸能神经元活动时，可以看到腺苷的释放有一个很大的升高，这就说明谷氨酸能神经元对腺苷释放的控制能力非常强。

我们进一步做了一个“功能丧失”(Loss of Funtion)实验，即将谷氨酸能神经元去掉，然后测试腺苷浓度是否会大幅下降。我们可以看到，损毁谷氨酸能神经元之后，脑区的腺苷浓度有明显的下降。这个实验进一步表明，谷氨酸能神经元在控制腺苷的释放过程中发挥了比较关键的作用。

我们得出的主要结论之一是脑区的腺苷浓度很大程度上受谷氨酸能神经元活动的影响，根据睡眠稳态调控的腺苷理论，即腺苷浓度的上升很大程度上代表了睡眠压力的上升，意味着神经元的活动很可能可以控制睡眠压力，甚至调控睡眠稳态。

因此，我们将这个神经元损毁来测量睡眠-觉醒活动，按照我们的猜测，损毁神经元会导致腺苷浓度的降低，进而导致睡眠压力的积累降低。睡眠压力降低后，就会导致动物会有更多的时间处于觉醒状态。我们的实验结果支持了我们的假设，可以看到实验小鼠比正常小鼠在觉醒期间更加活跃，这就进一步提示谷氨酸能神经元可能是控制睡眠稳态的一个重要因素。这项实验结果于2020年发表在《科学》上。

总的来说，我们使用腺苷探针来快速跟踪神经活动中腺苷的释放，进一步结合光遗传学和细胞类型特异性的损毁技术，发现了谷氨酸能神经元在控制腺苷积累和动物睡眠稳态中发挥了重要作用。

这项工作的意义在于，一方面我们的研究提供了一个思路——将神经活动和对腺苷释放的控制两个方面整合起来;另一方面，我们对睡眠领域最重要的科学问题——我们为什么需要睡眠，给出了答案：我们既需要这些觉醒神经元的活动来维持或者促进觉醒，同时这些神经活动又会通过刺激腺苷释放而增加睡眠压力，因此也就导致我们不能一直处于觉醒状态。这也许是因为腺苷作为嘌呤代谢通路活动的副产物，在长久的演化过程中，逐渐变成了神经活动中的一个负反馈因子，让我们不至于一直处于活跃的状态，从而维持了代谢和睡眠的稳态。

04 睡眠-觉醒的基因调控

问：基因调控大致有哪些类型?基因突变对睡眠-觉醒行为的影响如何?

徐敏：基因的调控中比较容易理解的一个例子就是同卵双胞胎。他们的基因组是一样的，因此他们在睡眠表型上有更高的一致性，这给基因调控提供了最直观的证据。在过去的三四十年的科学研究中，通过各种各样的遗传学筛选手段，得到了非常多关于睡眠调控的基因，这些基因大致可以分为7类：

1.神经肽

2.神经递质受体

3.离子通道

4.转录因子

5.突触蛋白

6.激酶

7.代谢和细胞内信号通路分子

它们基本涵盖了细胞内外各种各样的信号传导通路。

另一方面，由于睡眠会受到生物节律的影响，因此与生物节律相关的突变也会改变睡眠行为。

问：有哪些例子可以说明基因突变对睡眠-觉醒行为的影响?

徐敏：我跟大家分享两个关于睡眠-觉醒调控方面的工作，第一个是得益于在对家族性自然短睡眠的研究。在下图的例子中，标绿的是不携带对应突变基因的个体，标黄的是携带的突变基因的个体。

我们可以看到，正常的睡眠时长都说7~8小时，而携带突变基因的个体睡眠时长大大缩短，只有4.5~6小时。

这项工作的主要贡献者是来自美国加州大学旧金山分校Fu-Ptaek实验室的Ying-Hui Fu和Louis Ptacek，他们发现了4个与短睡眠有关的基因：

1.DEC2(一种转录抑制因子 Science ，2009)

2.ADRB1(肾上腺素受体1型，Neuron ，2019)

3.NPSR1(神经肽 S 受体1型，Science Translational Medicine .2019)

4.GRM1(代谢型谷氨酸受体1型，Current Biology ，2020)

第二个例子就是日本科学家柳泽正志(Masashi Yanagisawa)做的实验，他和研究团队在小鼠身上做了大量的遗传筛选工作。

相关研究成果于2016年发表在Nature杂志上，他们发现了两个与睡眠相关的基因：SIK3和NALCN，这些研究成果给后续对促睡眠物质和睡眠压力的研究提供了全新的思路。

05 睡眠障碍/失眠的治疗

问：睡眠障碍大致有哪些，打鼾需要重视吗?

徐敏：睡眠障碍非常普遍，是发育性疾病、神经性疾病、退行性疾病等许多疾病的普遍症状，可以说睡眠状态的好坏是大脑健康状态的反馈，另一方面，睡眠障碍会加快这些疾病的发展。

睡眠障碍大致可以分为六类：

1、昼夜节律睡眠-觉醒障碍

2、失眠

3、中枢性睡眠增多

4、睡眠相关呼吸障碍

5、异态睡眠

6、睡眠相关运动障碍

7、其他

大约40%的人有失眠的现象，这种现象是大家容易关注到的，但另外还有一些我们平时不太容易注意到的睡眠障碍现象(如睡眠呼吸暂停)，也很少有人重视，但是现在有一些研究认为，这些隐性的睡眠障碍如果长期置之不理，也会带来一系列的负面影响。

问：睡眠障碍对人体会造成哪些负面影响呢?

徐敏：整体而言，睡眠障碍对身心健康的影响大致可以分为两类：

1.急性后果：对大脑认知和情绪;免疫系统;运动系统

2.慢性后果：代谢系统;循环系统;退行性疾病

问：有哪些方法可以治疗睡眠障碍?只能依靠药物吗?

徐敏：对于睡眠障碍的治疗可以分为两类方法：

1、非药物方法，即认知行为疗法(CBT-I)，这种疗法的好处在于，它没有副作用。具体方式比如改变行为、观念、睡眠环境，或进行放松训练等，这种方法对很多失眠患者有非常好的疗效，但对有些患者却并没有效果;

2、药物治疗：服用催眠药物。理想的催眠药物需要有快速吸收、药效合理、安全、不影响记忆等一系列特性。理想的催眠药物是不存在的，这也是为什么说药物治疗多多少少会有一些副作用。

失眠药物大致可以分为一下几类：

1、褪黑素，褪黑素对真正的失眠并没有作用，但是它跟节律调控有关，比如倒时差的情况下，褪黑素是有作用的。褪黑素是有一定的副作用的，在瑞士甚至有人将大量的褪黑素当做避孕药来服用;

2、GABA受体激动剂，其主要作用是降低大脑的活动水平，这种药物在量大的时候甚至可以变成一种麻醉药物;

3、食欲素受体拮抗剂，这是一个比较新型的药物，可以用于降低觉醒水平;

4、抗组胺。这类药物的作用机制优点像抗过敏药，服用抗过敏药物之后容易犯困，抗组胺药物会将大脑中的阻碍受体拮抗，从而改善失眠;

5、抗抑郁药物，抑郁症很典型的症状之一就是失眠，这时候医生就会开抗抑郁药物来改善失眠。