2002睡眠研究的科学前沿

生命科学研究

Life Science Research

　　　　　　　　　　V ol.6　N o.4

(Suppl.)

Dec.2002睡眠研究的科学前沿Ξ

何志恒,印大中

(湖南师范大学生命科学学院衰老生化实验室,中国湖南长沙　410081)

摘　要:关于睡眠机制的研究是一门历史悠久的学科.在过去的几十年中,运用细胞电生理学来研究睡眠取得了可喜的成果.由于种种技术上的困难,近年来该领域的研究多集中于临床和医学范围,例如嗜睡症、抑郁症等.虽说睡眠的节律性较易理解,但作为其本质———睡眠的基因和分子水平的自动平衡调节仍是一个谜.细胞因子(I L-1和T NFα)对睡眠的诱导作用已显示从分子水平上了解睡眠的可能性.到目前为止,关于睡眠的功能已有不少理论和假说,但人类对睡眠的生化机制的认识尚处于起步阶段.

关键词:觉醒;快波睡眠;睡眠机制;慢波睡眠

中图分类号:R338.63　　　　　　　　文献标识码:A文章编号:100727847(2002)S120184204

The Scientific Frontiers of Sleep R esearch

HE Zhi2heng,YIN Da2zhong

(Laboratory o f Aging Biochemistry,College o f Life Sciences,Hunan Normal Univer sity,Changsha410081,Hunan,China)

Abstract:Sleep research is an old discipline.Over the past century,much progress in the field has been achieved, e.g.,through the cellular electro-physiology.Due to s ome uns olvable technical difficulties,sleep researchers are m ore focused on clinical aspects of sleep problems,such as narcolepsy,depression and s o on.Although the circadi2 an com ponent of sleeping com paratively has been well understood,the homeostatic com ponent2the true essence of sleep2remains a mystery.The induction of cell factors(I L21and T NFα)to sleep has shown the possibility to un2 derstand sleep in m olecular level.S o far,there have been a number of theories and hypotheses,but humans’knowledge about the m olecular mechanism of sleep are still in the primary stage.

K ey w ords:awakening;rapid eye2m ovement sleep(RE M);sleep mechanisms;slow wave sleep(SWS)

(Life Science Research,2002,6(Suppl):184～187)

　　自古以来,睡眠占据了生活在地球上的人类生命1Π3左右的时间,是生命过程的一大奥秘.由于睡眠研究涉及面宽、难度大,诸多领域的科学家都在不断进行探索.1949年M oruzzi和Mag oun揭示了觉醒状态的维持与脑干网状结构上行激动系统作用有关,该发现标志着关于睡眠的神经科学研究的兴起[1].随着1953年电生理研究对快动眼睡眠(RE M)的发现,睡眠神经科学研究进入了一个崭新的时期[2].

1　细胞电生理学研究与快波及慢波睡眠

电生理学从细胞水平上把睡眠和觉醒成功地联系在了一起.在过去的几十年中,运用离子通道和基电流(elementarycurrents)假说成功解释了睡

Ξ收稿日期:2002210214

基金项目:湖南师范大学特聘教授基金;国家自然科学基金(30070874)

作者简介:何志恒(19802),男,湖南常德人,硕士研究生;印大中(19552),男,江苏扬州人,湖南师范大学教授,主要从事衰老生化及相关的研究.眠脑电图(EEG)的形成机制.加拿大学者Steriade 的研究表明:小于1H z的低频振动协调着各种睡眠节率,如:慢波(1～4H z)、纺锤波(8～13H z)和高频波(40H z)[3].RE M是由Jouvet40年前发现的[4],它由脑干中心引发,并与边缘区域(如:杏仁核,扣带回前部)的显著激活作用有关.Maquet提供的一组数据显示,处于工作状态下活跃的大脑区域在RE M状态下又被激活.该结果与Wils on和McNaughton对大鼠的SWS研究结果有类似之处.然而睡眠过程中再激活的特征有待进一步解释,因为被训练过的大鼠在觉醒的安静状态下也能出现再激活现象[5].关于代表深睡状态的慢波睡眠和睡眠中的异相期和梦境等已有许多专门论述,由于篇幅所限,本文不作赘叙.

美国学者McC ormick详细研究了在以上振动频率下的离子电导率和它们受上行网状激动系统的调节情况.通过研究去甲肾上腺素、乙酰胆碱、组胺和谷氨酸代谢亲和受体(metabotropic gluta2 mate receptors)的作用,尤其是1,4,52三磷酸肌醇的生成而实现了睡眠的细胞电生理研究.很可能谷氨酸代谢受体也具有激活管理大脑皮层Ⅳ的肾皮质神经元的功能,这样就构成了“下行激动系统”[6].

对于产生RE M的脑干神经中枢群的研究也很成功.该研究还在下丘脑和前脑基底部进行了成功的重复,该区域是控制和协调慢波睡眠(SWS)和RE M的神经元集中部位.美国学者Mc2 Carley提供了令人信服的证据证明在长期的觉醒状态下,腺苷在前脑基底部积累,并通过其受体将腺苷定位于神经元中[7].日本Osamu Hayaishi的研究同样指出腺苷在调节睡眠和觉醒中起关键作用,虽说该作用对于前列腺D

2来说是下游的.但必须指出还有许多矛盾的地方,希望能从所涉及的各类细胞来解释,包括它们的(神经)输入与输出以及调节其活动的化学物质.

2　睡眠的昼夜节律和自动平衡

在不同的研究水平,对于区分组成睡眠的两个基本要素:平衡和节律的理论和实验是认识睡眠要素的重要进步[8].睡醒平衡,或称之为睡醒稳态,是指处于觉醒的时间越长,所需睡眠的时间就越长;节律则与每日睡眠的习惯性时间的改变有关.这两个要素在人类身上可运用强加的去同步化实验来分离.

睡眠的节律性要素较易理解,其功能就是根据日夜交替来调整人体处于一系列的行为状态中,其作用机制最终将通过基因和分子水平的研究了解清楚.例如:运用双光子显微技术,美国的G illette研究表明谷氨酸和乙酰胆碱通过作用于细胞的Ca2+库,引起Ca2+在时间和空间上的释放而引起明显的上交叉核节律钟(suprachiasmatic nu2 cleus circadian clock)的变化.

作为睡眠的自动平衡调节至今仍然是一个谜.许多研究表明该要素可从EEG的慢波睡眠的时间长短和总量上得以表现(Borbély).例如:慢波睡眠在睡眠剥夺之后的增加.处于冬眠,甚至是一般麻痹状态下也可出现SWS增强的现象,这非常有趣并且暗示睡眠能进行活跃的身体修复过程,而此过程在低温代谢状态下是不能进行的.然而,由于对影响睡眠的局部调节因素──生长因子、细胞素和其它分子正在研究之中,所以该修复过程的本质还不清楚[9].尽管如此,可自动平衡这个因素似乎是一个相当普遍的现象,它存在于被研究过的所有哺乳类和鸟类中.有证据表明果蝇也同样具有类似的睡眠状态,在长期的睡眠中其感知阈增大;若被剥夺睡眠达12h之久,则显示出睡眠反弹,即受试对象长期被剥夺RE M的情况下,一旦得以宁静地睡眠,就使RE M增加而得到补偿.现在对大鼠和果蝇在睡眠周期中基因表达的变化的分析正在一步步揭示与行为状态有关的许多体内分子的作用.

3　睡眠和细胞因子[10]

已报道的睡眠因子包括单胺类和多肽类因子等.细胞因子诱导睡眠的研究目前主要在生化和神经元水平上进行.例如白细胞介素(I L)、干扰素(IFN)、集落刺激因子(CSF)、肿瘤坏死因子(T NF)、转化生长因子(TG F2β)、羰基毒素等,他们在免疫系统中起着非常重要的作用.同时,也发现细胞因子与睡眠之间有着十分密切的联系.

在动物实验中,I L21注射后数分钟,即可引起SWS的增加;I L21β无论是直接注射到脑还是静脉注射,均可引起SWS持续时间和幅度的增加.有研究发现I L21的效应依赖于其运用的剂量和时间的长短,小剂量I L21β促进SWS,而大剂量I L21β则抑制SWS.同样发现T NFα无论是脑室注射还是静脉注射,均使SWS增加;因此,T NFα对睡眠也有一定的调节作用.

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第4期　　　　　　　　　　　　　　　何志恒等:睡眠研究的科学前沿　　　　　　　　　　　　　　　　大多数实验均证实:睡眠剥夺后,其血浆I L -1和T NFα样物质升高,从而促进睡眠,达到维持机体平衡的目的;如表达量过高或持续时间过长,则会损伤机体免疫功能.

人体的睡眠研究表明,剥夺睡眠后尿液中氧化和糖基化代谢产物会大幅度增高,说明缺少睡眠会造成的生物垃圾产物的蓄集和生理平衡的打破.关于这方面的研究目前正在兴起.

4　临床研究

由于多种原因,目前大量的工作集中在对于睡眠的临床研究.在对狗进行了长期的研究后,美国科学家Mignot正在进行与嗜睡症有关基因的筛选.嗜睡症的特点是患者在觉醒状态下突然进入RE M.法国巴黎的Adrien和美国的G illin报道了睡眠和抑郁症之间的有趣联系[11].这是一个复杂的研究,似乎完全的睡眠或选择性的RE M剥夺可减轻抑郁症,若患者再一次睡眠,则又可出现抑郁症.但相反的是,一些抗抑郁剂,特别是单胺氧化酶抑制剂,可消除RE M达几个月,并且没有出现明显的不良后果.

我国临床部分的研究偏重失眠和睡眠呼吸障碍的诊治两方面.前者包括各种中西药物、推拿、按摩、针灸和生物反馈等[12],后者着重睡眠呼吸暂停综合症(sleep apnea syndrome,S AS)的诊断和治疗[13].

5　睡眠的意义

为什么睡眠对人类如此重要?现代科学一般认为,在睡眠过程中,大脑和神经系统得到了修复整理、营养补充及能量储存.因此有人用3个“R”(Repairing,Restoration,Regeneration)来描述这个过程.19世纪20年代的后半期曾有人进行过人的断眠实验,有3个青年人坚持断眠了90h,结果他们的感觉、反应的敏捷度、运动速度、记忆力以及计算能力都变得迟钝.其中一个人在断睡第二个晚上出现了幻视、体温下降等异常状况.还有些科学家发现与发育密切相关的“生长激素”在夜间比白天分泌得多(哈达等,1966年).最近又进一步确认了生长激素分泌旺盛的时期是在SWS阶段[14].然而,睡眠过程到底如何驱除疲劳,恢复脑力和体力,从细胞水平和分子水平上,现代科学对于神经和大脑的睡眠生化过程了解得还很肤浅.

在诸多假说中,一些假说认为睡眠在某种程度上与学习和记忆有关.在睡眠的纺锤波和慢波阶段,伴随着突发性放电.该现象虽然到目前为止还未得到直接证明,但因大量Ca2+流入神经元而造成电生理改变的可能性还是有的.英国的Ber2 ridge提出了他个人的观点,认为内质网是神经元内的神经元.内质网是一个延伸到细胞各个角落(包括神经元的树突和棘突)的连续的网状结构.该结构既可通过其上的电压和受体门控通道,使Ca2+进入其中,成为Ca2+库;又可作为瞬间Ca2+流的源泉导致反馈现象,包括Ca2+波.这种Ca2+的释放是一种信号机制,能有效的调节神经的兴奋性和基因表达对环境的可塑性、适应性.因此,很容易想到在SWS期间,Ca2+流入能诱导基因表达,从而产生长期的适应性变化.

虽然在睡眠中可能存在其他机制以保持体内平衡,但有证据表明,正常的与睡醒平衡(睡醒可塑性)有关的基因表达是在觉醒期间被诱导的,并非睡眠期间.例如:在觉醒期间,CRE B的磷酸化,以及其它转录因子和一些早期表达基因的水平都很高,而睡眠期间则很低.近年来,一种早期表达基因,Arc(activity2regulated cytoskeletal),得到了广泛的关注,因为Arc选择性的出现于被激活的突触中,而且这种现象仅出现在觉醒期间而非睡眠期间(T ononi).事实上,不论睡眠是否对于可塑性重要,但运用觉醒和睡眠之间的比较可了解可塑性变化与细胞和分子水平上的相关.对于在睡眠期间各种与可塑性相关的标示物水平低的原因目前认为是在睡眠期间特定的神经调节系统处于休止状态,如:去甲肾上腺素系统(而不是血清素激活系统)[15].目前一些实验室(Borbély, K rueger,T ononi)正在进行相关的研究.最近Siegel 用一种原始的单孔类动物──针鼹所作实验的结果还显示了一种复合的睡眠前兆现象[16].

刘同想等人的研究表明[17]:长期睡眠较差的老年人老年环、老年斑、脱牙数得分、冠心病、高血压病、脑血管病、慢性胃炎、糖尿病患病率及血清过氧化脂质(LPO)明显偏高,红细胞超氧化物歧化酶(S OD)活性明显偏低,提示睡眠质量差对老人健康有害,并可加速衰老.最近美国芝加哥大学的研究人员在他们的研究中发现,人如果一段时间睡眠不足,身体会出现衰老症状,严重者会患上心脏病、糖尿病等疾病,提示衰老过程与睡眠有密切的相关性.

印大中教授(2000年)[18]根据衰老生化的最

681　　　　　　　　　　　　　　生　命　科　学　研　究　　　　　　　　　　　　　　　　2002年新研究成果提出睡眠过程的神经元膜的去毒化假说,认为觉醒过程中种种生化副反应(如氧化和糖基化)造成的垃圾堆积造成了神经系统的“疲劳”.指出睡眠过程的单胺复原(去羰基毒化)可能是重要的睡眠生化机理或者就是日复一日的“返老还童”过程.

睡眠到底是生物体的局部现象还是总体的现象?单个神经元能睡眠吗?神经元会感到累吗?其原因是什么?睡眠到底能提供什么益处,致使大脑如此地依赖于睡眠?睡眠能否促进突触生长或重塑?SWS和RE M具有相同作用?或者互补作用?或者根本毫无相互作用?这些都是当前睡眠研究的疑点和兴趣点.

6　展望

总而言之,“人为什么要睡觉?”从分子水平上来讲,现代科学对于这样一个似乎简单的问题不是“不甚清楚”,而是“甚不清楚”.目前,与睡眠科学相关的大脑神经生物学研究已成为世界各国都很重视的生命科学的前沿领域.睡眠的奥秘正随着现代科学的不断发展逐步解开.

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