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2018年觉醒睡眠研究进展与展望
胡志安, 何超     
陆军军医大学(第三军医大学)基础医学院生理学教研室,脑科学协同创新中心
[关键词] 觉醒睡眠     丘脑     生物钟神经元     突触稳态     记忆巩固    
Progress and perspective of the wakefulness and sleep researches in 2018
HU Zhi'an, HE Chao     
Department of Physiology, Collaborative Innovation Center for Brain Sciences, College of Basic Medical Sciences, Army Medical University (Third Military Medical University), Chongqing, 400038, China
[Abstract] Wakefulness and sleep are an important biological rhythm that exists in almost all animals, and play a crucial role in maintenance of organism function. Basic researches of wakefulness and sleep mainly focus on the mechanisms and functions of wakefulness and sleep. This paper reviews the representative progress in these 2 aspects in 2018, and looks forward to the future research.
[Key words] wakefulness and sleep     thalamus     circadian clock neurons     synaptic homestasis     memory consolidation    

地球自转引起白昼和黑夜。在进化过程中,高等动物形成了与外界环境合拍的24 h生物节律,即觉醒睡眠生物节律。觉醒时机体能有效对外界环境感知,确保学习记忆、决策、运动等各项功能的进行;睡眠时机体对周围环境知觉和反应可逆性减弱。通过脑/肌电图的检测将睡眠分为非快速眼动(non-rapid eye movement,NREM)睡眠和快速眼动(rapid eye movement,REM)睡眠。NREM睡眠时脑电表现出同步化的低频delta振荡,肌电减弱;而REM睡眠则脑电呈现特征性的theta高频振荡,肌电进一步减弱[1]。随着社会竞争压力的加大,全球近30%的人存在各种睡眠问题,觉醒睡眠障碍已成为影响人们健康的重要因素。为此,开展觉醒睡眠的研究具有重要的理论和实际意义。觉醒睡眠基础研究有两个方面重要问题亟待阐明:①觉醒睡眠发生的神经机制;②睡眠的功能。在2018年,觉醒睡眠研究在上述两个方面取得了丰硕的成果。现筛选过去1年里具有代表性的进展进行回顾、介绍。

1 觉醒睡眠发生机制

早期认为觉醒睡眠是被动过程。20世纪50年代,通过电刺激结合损毁实验发现,脑干网状结构的头端含有为维持觉醒所必需的神经元;而脑干尾侧则包含能够诱发睡眠的特定区域,提示特定脑区主动调控觉醒睡眠。迄今,多个觉醒睡眠调控核团已被鉴定[1-2]。觉醒调控有脑干内脑桥脚/背外侧被盖区乙酰胆碱系统、蓝斑去甲肾上腺素系统、背缝核5-羟色胺系统、腹侧被盖区多巴胺系统,下丘脑结节乳头体核组胺系统、外侧下丘脑食欲素和γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)能神经元系统和基底前脑乙酰胆碱系统。NREM睡眠的发生依赖于下丘脑腹外侧视前区、丘脑网状核和脑干面旁区的GABA神经元。REM睡眠主要与脑干内蓝斑下核、脑桥脚/背外侧被盖区胆碱能系统、腹侧延髓GABA能神经元、中脑导水管中央灰质以及外侧下丘脑黑色素浓集激素神经元密切相关。在过去的1年里,采用细胞特性示踪和干预的技术,参与觉醒睡眠的新核团和神经环路被鉴定,这些发现进一步促进了我们对觉醒睡眠发生机制的理解。

1.1 控制觉醒的新“开关”——丘脑和伏隔核

长期以来,丘脑一直被认为参与觉醒调控,但是由于这些丘脑具有复杂的解剖结构(含有30多个核团),参与觉醒调控的特定丘脑核团及其神经环路尚未阐明[3-4]。陆军军医大学胡志安课题组发现药物遗传学特异抑制丘脑室旁核(paraventricular thalamus, PVT)谷氨酸神经元可降低觉醒时间,而光遗传激活PVT促进睡眠向觉醒的转换。PVT的觉醒维持功能依赖于PVT-伏隔核(nucleus nucleus accumbens, NAc)环路,并受控于外侧下丘脑食欲素神经元的调控[5]。匈牙利科学院László Acsády课题组和华中科技大学李浩课题组进一步研究发现,PVT内钙视网膜蛋白阳性的神经元介导了觉醒的维持,并且这些神经元介导了饥饿诱导的觉醒[6-7]

伯尔尼大学Antoine R. Adamantidis课题组发现采用光遗传学紧张性激活丘脑中央内侧核神经元诱发NREM睡眠向觉醒转换,而爆发性激活能够模拟出睡眠期脑电的活跃相状态(Up state),并增强皮层慢波活动同步化,上述效应是通过前背侧丘脑接替的[8]。威斯康星大学Chiara Cirelli课题组在小鼠中发现丘脑腹内侧核神经元放电频率在觉醒和REM睡眠时较高,而在NREM睡眠时较低。光遗传激活丘脑腹内侧核能快速诱发觉醒,并且在麻醉状态下亦能诱发脑电出现去同步化。化学遗传学抑制丘脑腹内侧核缩短觉醒片段长度,表明丘脑腹内侧核参与觉醒的调控[9]

长期以来,NAc被认为是介导奖赏、成瘾及摄食活动的关键结构。这些大脑活动基于觉醒进行操作。NAc腺苷A2A受体阳性神经元已被证实参与慢波睡眠的发生[10],但NAc是否参与觉醒的调控呢?复旦大学黄志力课题组发现NAc多巴胺D1受体阳性神经元在觉醒期呈现高水平活动。光遗传激活这些神经元可诱发NREM睡眠向觉醒转换。抑制这些神经元活动则可诱发做筑巢行为,减少觉醒时间。多巴胺D1受体阳性神经元主要通过中脑腹侧背盖区和外侧下丘脑发挥促觉醒效应[11]。此外,另有两项研究证明PVT和腹侧被盖区谷氨酸能神经元均是调控NAc发挥控制觉醒作用[5, 12]

上述系列工作揭示了丘脑和NAc在觉醒维持中的重要地位。这些发现极大程度地更新了我们对觉醒发生机制的认识。

1.2 生物钟神经元调控觉醒睡眠的上下游通路

睡眠行为受到昼夜节律信号的调控,但这些信号如何输出到睡眠中枢,参与睡眠发生呢?布兰迪斯大学Michael Rosbash课题组发现光遗传激活果蝇背侧生物钟神经元可显著增加睡眠时间,并可使睡眠稳态调控中枢椭球体呈现睡眠样振荡模式。通过神经束路示踪技术发现,生物钟神经元可通过结节球神经元,进而间接投射至睡眠稳态调控中枢,参与睡眠行为的调控[13]

密歇根大学Orie T. Shafer课题组通过钙成像技术监测果蝇生物钟神经元兴奋性,发现这些神经元可感知环境温度:低温可激活这群神经元,高温可抑制这些神经元。破伤风毒素抑制这些神经元递质释放可影响果蝇产生应对温度改变的睡眠周期,表明生物钟除感受环境光线变化外,亦能感受环境温度信号节律性的变化,进而参与睡眠行为的调控[14]。上述这些研究提供了生物钟和睡眠调控之间较为全面的联系,并为理解高度保守的睡眠和昼夜节律整合的神经机制提供了新的视角。目前,这些研究均在果蝇中开展,在哺乳动物脑内是否有类似的机制还需进一步研究。

此外,觉醒睡眠机制研究促进了对睡眠疾病的病理机制的认识。发作性睡病是一种由外侧下丘脑食欲素神经元丢失引起的慢性觉醒障碍。提契诺大学Federica Sallusto课题组发现了特异识别食欲素神经元的自身反应性CD4+ T细胞。在发作性睡病的患者的血液和脑脊髓液中也检测到了特异性自身反应性CD8+ T细胞。CD4+ T细胞可通过分泌细胞因子,增强炎症反应损伤欲肽神经元,而自身反应性CD8+ T细胞可直接杀伤欲肽神经元[15]。该发现进一步揭示了发作性睡病的分子病理。

2 睡眠的功能

睡眠对机体的健康至关重要。睡眠异常与神经退行性病变、心血管疾病和癌症等的发生密切相关。业已揭示,睡眠可促进发育、能量恢复、清除代谢产物,以及增强免疫等。对于大脑,睡眠更是至关重要。睡眠可恢复突触稳态。觉醒时各种感觉信息的输入,会导致突触传递增强,数量增多。为了确保突触不会因此过度饱和,需要在睡眠中弱化突触,以抵消觉醒时的突触强化。睡眠另一重要功能是记忆巩固。觉醒期机体经历学习后,在大脑中会形成最初的记忆痕迹,之后睡眠使最初形成的、并不稳定的记忆痕迹逐渐转化为一种稳定的状态进行存储[16]。在过去的1年里,对于睡眠如何实现突触稳态恢复和记忆的巩固已有新的认识。

2.1 睡眠恢复突触稳态的网络振荡和蛋白组磷酸化机制

在慢波睡眠状态下,海马会自发释放瞬间的高频振荡。这种特殊的脑波称为尖波涟漪(sharp wave ripple,SWR)。东京大学的Yuji Ikegaya课题组发现在空间学习之后,海SWR的发生频率增加。研究者对小鼠脑内的突触功能进行了检测,在正常小鼠中,经历过SWR之后,海马CA1区突触连接强度下降,突触稳态恢复。采用闭合环路结合光遗传沉默睡眠期的SWR后,海马CA1突触连接强度并未明显的下降。与此同时,被沉默了SWR后小鼠学习和记忆能力受损,表明SWR是睡眠中突触稳态恢复的关键,失去了它将会影响新记忆的形成[17]

筑波大学刘清华课题组利用筛选到的Sleepy嗜睡型突变体(突变基因是名叫SIK3的一个蛋白质激酶),在此基础上,利用尖端的串联质谱标签(tandem mass tag,TMT)标记技术,系统比较“嗜睡型Sleepy小鼠”与“睡眠剥夺性小鼠”两种模型,发现睡眠需求与脑蛋白质组磷酸化水平的关系:睡眠剥夺6 h可引起蛋白组磷酸化程度显著增高。在进一步研究中发现了80个超磷酸化蛋白,其中69个可归类于神经突触蛋白。它们有些是神经突触的结构蛋白,有些与神经递质释放有关。蛋白质的磷酸化是细胞内信号转导和酶活性调控开关的一种主要方式。这项研究从“磷酸化/去磷酸化循环调控”角度提出了突触稳态分子调控的新理论[18]

2.2 睡眠促进信息巩固的网络振荡机制

在睡眠期,海马中与一种任务相关的神经元以精确的顺序快速激活,这会巩固对这种任务的记忆。法国国家健康与医学研究院Michaёl Zugaro课题组发现在大鼠进行空间探索时存在一种thera序列,与慢速序列相平行的thera序列可快速地重复激活相同的位置细胞。为此,这些thera序列被称为嵌套序列。觉醒期使大鼠被动移动进行空间探索,可特异抑制嵌套序列而不影响慢速序列。嵌套序列抑制后,大鼠海马中的位置细胞在睡眠期间并没有像觉醒时那样以相同的顺序重激活。该结果表明嵌套序列对睡眠期间的记忆巩固是必不可少的[19]

图宾根大学Marion Inostroza课题组采用新型物体识别(novel object recognition,NOR)检测非海马依赖性记忆,发现在睡眠期间海马对于形成非海马依赖的长期记忆同样至关重要。在NOR任务后,在睡眠期间失活海马,3周后进行记忆测试发现NOR记忆受损。有意思的是,在NOR记忆获得或记忆提取的觉醒期,失活海马并不影响NOR记忆,表明海马体在睡眠期间对形成持久性NOR记忆至关重要。进一步的机制研究发现,在睡眠期NOR记忆与皮层慢振荡以及纺锤波活动呈正相关,表明慢振荡以及纺锤波活动参与了非海马依赖性记忆的巩固[20]

这些研究成果将有助于研究初始记忆编码转化为长期存储的神经机制,为揭示睡眠如何促进记忆形成提供新的契机。

3 展望

2018年,脑内调控觉醒睡眠的多个新节点被鉴定;觉醒睡眠调控节点如何受到生物节律信号的调控亦被进一步阐明。与此同时,睡眠促进突触稳态恢复和记忆巩固的机制也取得重要突破。随着先进的神经束路示踪技术、光/药物遗传技术、双光子成像技术及多通道记录技术的应用,在可预见的未来, 脑内调控觉醒睡眠的关键节点以及节点之间的联系即将被全面解析。届时,我们对觉醒睡眠的发生机制将会有全景性的认识。在揭开觉醒睡眠之谜的过程中,我们还需要阐明以下几个方面问题。

既往的研究常将脑区中某类神经元作为同质性的单元,评估其在觉醒睡眠调控中的作用。采用先进的单细胞RNA测序,越来越多的证据表明,在这些重要的觉醒睡眠调控脑区内部,即使同种类型神经元亦存在形态和功能的异质性[21-23]。为此,觉醒睡眠仍需在新的细胞分型基础上解析其发生的精细环路机制。

目前,已有大量研究解析了觉醒睡眠发生的细胞和神经环路机制。另一个方面,我们更应该对觉醒睡眠的本质进行探索。觉醒的本质是让脑具有意识和思维活动,睡眠则是意识活动的下调。只有阐明了意识和思维活动的核心脑区,我们才能从“整体”的角度,清晰地理解不同觉醒睡眠调控环路如何协调工作,实现大脑的意识和思维活动。

至于睡眠的功能,一方面睡眠可使储存信息神经环路重激活,增强突触功能联系,实现信息巩固或转移[16]。但觉醒时大脑接受各种模态的信息,睡眠期如何触发不同信息的重激活,不同种信息重激活的特征、信息转移途径和机制均不完全清楚。与此同时,NREM睡眠和REM睡眠在信息处理中又有何种不同的作用也未阐明。另一方面,睡眠促进突触稳态恢复,下调突触功能联系,睡眠期如何实现“信息突触”与“非信息突触”的甄别呢?目前该问题仍不清楚。此外,睡眠是否还有其他新的功能仍需进一步研究。

最后,觉醒睡眠的研究亟待将基础研究创新性的成果进行临床转化应用。破解睡眠之谜将极大促进睡眠医学的发展,推动睡眠疾病在分子和细胞水平上进行精细的分型和诊断。与此同时,基础研究亦为睡眠疾病的治疗提供了精准靶点,针对特异性的靶点进行药物开发或非侵入式靶向干预将有助于实现睡眠疾病的精准干预。

参考文献
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http://dx.doi.org/10.16016/j.1000-5404.201901042
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胡志安, 何超.
HU Zhi'an, HE Chao.
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Progress and perspective of the wakefulness and sleep researches in 2018
第三军医大学学报, 2019, 41(2): 91-94
Journal of Third Military Medical University, 2019, 41(2): 91-94
http://dx.doi.org/10.16016/j.1000-5404.201901042

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收稿: 2019-01-06
修回: 2019-01-08

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