睡眠的分子基础

克里斯托弗·诺兰导演的《失眠症》里，艾尔·帕西诺一觉难求。最早看这部电影还是中央六台，当时的我睡眠很好，对片中的压抑难以共鸣。多年后的我长期失眠，那时的痛苦却连电影也不能描述。

前段时间，母亲失眠，怕我担心，没有问我。关于睡眠，我写过一些文章，有的比较简单，有的比较隐晦，大概都没有特别的科普。

为了帮助这些那些，或者是记录、或者是纪念，这篇比较完整，但愿有微小的贡献。

背景介绍

睡字由偏正结构目垂组成，字面意思即眼睑下垂，闭目休息。这种状态下，机体不接收外界的视觉信号，处于较为静止的状态。

广义的睡眠的特征包括下面四：一，没有随意运动的可逆状态；二，受昼夜节律调节；三，更高的唤醒阈值，即动物需要更强刺激才能反馈；四，受稳态系统调节，需要保持足够睡眠状态。

人们通过工具来检测自然的物理性质，显微镜可以看到不同细胞的光学结构，录音机可以记录各种鸟类的婉转鸣叫，规矩准绳可以测量多个物体的长宽高矮。

随着科学技术的发展，人们发明了脑电记录、磁共振成像、正电子发射型计算机断层显像、脑磁记录等记录大脑电磁信号的技术。

其中，脑电记录最初源于英国科学家Caton在兔脑与猴脑的大脑表面电位记录，后来被广泛应用于癫痫的诊断。

根据脑电、眼电、肌电合称多导睡眠描记法的信号，可以区分人类睡眠与觉醒状态，同时可以将睡眠分为非快速眼球运动睡眠和快速眼球运动睡眠。

其中觉醒状态下，低压快速脑电活动及较高肌肉紧张度；非快速眼球运动睡眠下，具有高幅低频脑电活动及较低肌肉紧张度；而快速眼球运动睡眠状态下，眼球快速旋转运动，伴随着快速眼球运动、睡眠肌肉弛缓。

关于睡眠行为的调节机制，科学家们做了长期的研究，目前公认受睡眠稳态及昼夜节律两方面因素影响，而其控制机制有局部控制及分布式控制两种观点。

早在年，奥地利科学家vonEconomo在研究流行性甲型脑炎患者缺损脑区时提出脑干与下丘脑参与睡眠调节。

随着技术手段的发展，目前人们发现两个主要脑区参与睡眠调节，它们分别是上行觉醒系统以及腹外侧视前核，其中上行觉醒系统包括去甲肾上腺素神经为主的蓝斑、五羟色胺神经元为主的中缝核、胆碱神经元为主的脑桥脚及被盖背外侧核、组胺神经元为主的结节乳头核、多巴胺神经元为主的A10细胞群、食欲肽或黑色素浓集激素神经元为主的外侧下丘脑,以及γ-氨基丁酸或乙酰胆碱神经元为主的基底前脑。

科学家们研究参与人类睡眠调节的脑区同时，也试图从睡眠功能上理解其进化意义。

关于睡眠的功能，目前主要有三种观点，第一种观点认为，白天时动物活跃、食物较多，夜间睡眠利于节约精力；第二种观点认为，睡眠通过改变大脑可塑性及突触形成来促进学习与记忆；第三种观点认为，睡眠能够恢复生物大分子合成的关键组分。

睡眠异常会影响心血管系统、免疫系统、内分泌系统的正常运转，并被报道与肿瘤发生相关。

另外的研究表明，睡眠异常会引起例如创伤后压力异常及抑郁症等情绪异常，快速眼球运动睡眠主要参与了该过程。

睡眠状态下，记忆痕迹的重新激活在脑电记录、磁共振成像及正电子发射型计算机断层成像中均有报道，另外研究发现，睡眠不光参与记忆巩固，还参与内隐记忆外显记忆转化。

下面，本文对动物及人类的睡眠研究进展简要综述，主要介绍小鼠及果蝇的神经环路研究，以及人类睡眠异常的遗传学研究。

动物睡眠

虽然蓝细菌、原生生物、眼虫门及沟鞭藻等单细胞生物的活动具有昼夜节律，但单细胞的睡眠状态目前没有统一的结论，睡眠研究主要集中在陆生及海生的哺乳类、鸟类、爬行类、两栖类、鱼类及昆虫。

作为传统模式生物，小鼠与黑腹果蝇具有繁殖快捷、易于饲养及丰富资源等优势，下面将主要介绍小鼠与果蝇的睡眠研究。

果蝇睡眠

黑腹果蝇具有繁殖快、研究历史长、遗传工具多等优点。通过遗传筛选、神经元操纵、基因操纵等方法，果蝇昼夜节律的研究启发了不同物种间保守的调控机理，而睡眠相关调控原理目前不完全了解。

年，Konopka与Benzer在果蝇中筛选到第一个昼夜节律行为的突变period，随后MichaelYoung实验室发现timeless、MichaelRosbash实验室发现dClock、IsaacEdery实验室发现cycle、MichaelRosbash实验室发现dCRY、随后doubletime等基因陆续被发现，相关研究启示寻找小鼠等其他模式生物里的同源基因。

通过果蝇的运动状态，可以定义其睡眠行为，随着计算机视频分析的发展，相关行为研究可以变得高通量、自动化。

科学家们发现多巴胺、鱆胺等神经递质促进果蝇觉醒状态，而γ-氨基丁酸促进果蝇睡眠行为。同时科学家们还发现，蘑菇体与中央复合体参与了睡眠行为的高级调节，通过GAL4-UAS二元系统等操纵工具，睡眠行为调节的神经环路有了初步的雏形。

由于哺乳与鸟类等高等生物中的睡眠定义包括脑电、肌电及眼电信息，最新的研究希望通过记录蘑菇体间腹侧脑区的局部场电位来逼近高等动物中的情况。

随着人类睡眠异常的相关致病基因报道，果蝇也被用作研究睡眠行为的动物模型。

小鼠睡眠

睡眠状态受睡眠稳态与昼夜节律的条件，科学家们发现昼夜节律的分子机制在脉孢菌、拟南芥、果蝇及哺乳动物中均保守，其中哺乳动物分子环路的发现部分在小鼠中完成。

而同时期的小鼠睡眠研究帮助确定了发作性睡病的致病基因食欲肽，后续的研究发现食欲肽相关作用脑区与神经环路。

除此之外，黑视素、儿茶酚胺、组胺、多巴胺、γ-氨基丁酸、腺苷等也在小鼠中被发现调节睡眠。

通过脑区缺损、电刺激及药物刺激的方式可以操作非特异细胞类型，而通过半胱天冬酶-3、白喉毒素、古紫质、嗜盐菌紫质或光敏感通道蛋白能够操作特定细胞类型，作用时程从毫秒到一周不等，通过这些手段，科学家们发现分别控制快速眼球运动睡眠与非快速眼球运动睡眠的神经环路。

大鼠睡眠

由于大鼠体型较小鼠更大，大鼠睡眠/觉醒状态下有较多解剖结构及电生理等相关实验。

在大鼠中，科学家们首先发现了和睡眠相关的视交叉上核相关神经环路，随后更多视交叉上核相关研究被报道，丘脑背内侧核、腹外侧视前区、丘脑、后外侧下丘脑等脑区也被报道参与调节睡眠。

除了脑区相关研究，大鼠中调节睡眠的分子陆续被报道，褪黑素、兰尼碱受体、垂体腺苷酸环化酶激活肽、M1受体、period蛋白、去甲肾上腺素，γ-氨基丁酸、腺苷、食欲肽，五羟色胺、黑色素聚集激素、肾上腺素、胆碱、多巴胺等也发现与睡眠相关。

后续科学家也观察睡眠相关基因表达变化，希望找到新的睡眠相关分子。

除了分子与脑区研究，科学家们还观察了控制实验调节下大鼠的行为变化，例如22小时光照-黑暗环境，睡眠剥夺，药物刺激等。

大鼠还被用于疾病研究中，例如发作性睡病模型。此外，科学家们还发现大鼠中糖代谢与睡眠的关系。对于睡眠机理，研究者提出了跷跷板模型。

最新的研究提出局部睡眠的观点，如蘑菇体间腹侧脑区的局部场电位一样，科学家记录大鼠额叶局部场电位发现与多通道记录一定程度同步。

后续研究记录了大脑其他脑区更多神经元的局部场电位。

其他动物睡眠

睡眠研究在其他动物中也有相关发现，不同物种间的神经环路及分子机制有不同程度的保守。

在线虫中，科学家们发现，与哺乳类及果蝇一样，Period参与调节睡眠节律、Egf促进睡眠、cAMP促进觉醒、多巴胺促进觉醒、Pkg活性与睡眠深度相关，果蝇一样线虫中PDF也促进觉醒。

科学家们在猫中发现，快速眼球运动睡眠时基底前脑乙酰胆碱释放高于清醒状态水平。

科学家们在拉布拉多犬与杜宾犬的发作性睡病模型中找到致病基因食欲肽，后续的研究也发现犬类睡眠行为中多巴胺及组胺的参与。

近期科学家还在澳大利亚蜥蜴鬃狮蜥的脑部记录到慢波、尖波及快速眼球运动睡眠。

科学家在叙利亚仓鼠中克隆了调节昼夜节律的tau基因，对于大脑中控制昼夜节律的视交叉上核也有相关研究。

科学家在食蟹猴中也发现食欲肽神经元相关环路。外侧被盖核脑区参与调节快速眼球运动睡眠，科学家们还观察到几内亚猪外侧被盖核脑区切片的一氧化氮浓度随活动动态变化。

对斑马鱼的睡眠研究发现食欲肽、孤啡肽前体、神经介素U等分子调节睡眠与觉醒。

人类睡眠

人类睡眠研究主要分正常人群及睡眠异常人群两个方面。

根据国际睡眠障碍分类，睡眠异常主要包括睡眠失调、异态睡眠及其他疾病相关睡眠异常，其中睡眠失调包括内因性睡眠障碍、外因性睡眠障碍及日夜节律睡眠障碍，异态睡眠主要包括觉醒障碍、睡眠-觉醒过渡障碍、快速眼球运动睡眠相关异态睡眠等，而疾病相关睡眠异常主要包括精神类异常、神经系统异常及其他医学异常。

发作性睡病

早在13世纪，意大利诗人但丁就描述了发作性睡病相关症状，而最早关于发作性睡病的医学报道，来自德国科学家Westphal及法国科学家Gélineau，其主要表型包括青春期后猝睡、睡眠性麻痹、入睡幻觉以及猝倒。

发作性睡病的动物模型建立最早开始于狗及猫中。

发作性睡病的人类遗传学最早由日本科学家本田丰开始，他们发现发作性睡病患者的HLA-DR位点抗原均呈DR2阳性。

后续研究发现更多发作性睡病的分子标记，并且在更多人群中验证了HLA与发作性睡病的患病风险的关联。

随着基因芯片等技术的发展，发作性睡病的关联分析发现更多候选致病基因，发作性睡病候选区域1-A、肉碱棕榈酰转移酶1B、T细胞受体、Tribbles同源基因2、P2嘌呤受体11、食欲肽等被发现与发作性睡病的患病关联。

家系研究发现髓鞘少突胶质细胞糖蛋白、DNA转甲基酶1、趋化因子受体1/趋化因子受体3等与发作性睡病相关。

此外，儿童患者及双胞胎研究也提供了一些发育学和遗传力证据。

除了基因相关研究，科学家们还检测了患者特异的生理指标，例如患者血浆肿瘤坏死因子含量较正常人更高。而患者血浆及脑脊液中细胞因子含量也异于正常人。更多研究发现发作性睡病与链状球菌感染以及H1N1感染相关。

后续人群研究报道疫苗与发作性睡病的相关，但目前尚无定论。土耳其与韩国有少数疫苗相关患者报道，而芬兰、美国、挪威、韩国、瑞典、意大利、加拿大等国家的人群研究没有发现显著关联。

最新动物模型工作给科学界带来启示，科学家们发现H1N1感染小鼠诱导发作性睡病类似表型，靶向流感病毒核蛋白的抗体也被报道与食欲素受体2互作，而CD8阳性T细胞介导破坏小鼠食欲素神经元诱发发作性睡病类似表型。

由此，科学家们陆续地提出发作性睡病是免疫相关疾病。

随着食欲肽在发作性睡病犬类模型及小鼠模型中的发现，科学们开始在发作性睡病患者中验证食欲肽相关功能。

他们检查大脑切片中食欲肽含量、食欲肽神经元的数量以及脑脊液中食欲肽的含量，发现较为一致的结论，发作性睡病患者体内食欲肽与正常水平相比较低。后续研究发现，食欲素敲除小鼠的发作性睡病类似表型可以通过五羟色胺1A受体激动剂给药恢复。

另外的研究发现发作性睡病患者的组胺神经元较正常人更多，而患者非快速眼球运动睡眠早期具有不连贯的脑电微结构。

节律异常睡眠障碍

节律异常睡眠障碍指患者在一天24小时内具有异常的睡眠时刻，这些异常有的是人为引起的(比如:轮班工作、时区变化)，而另外一些是内在机制(比如:不规律的睡眠/觉醒型态、睡眠时相提前综合征)，主要包括时区变化综合征、轮班工作睡眠异常、不规律睡眠/觉醒型态、睡眠时相提前综合征、睡眠时相延迟综合征等。

下面主要介绍近年来睡眠时相提前综合征与睡眠时相延迟综合征，最后也比较介绍异态睡眠中的短时睡眠者。

家族性睡眠时相提前综合征的致病基因寻找极大推动了对昼夜节律的分子机制理解，在FASPS患者中睡眠/觉醒时刻、褪黑素及体温均比正常人群相位提前，通过遗传分析的方法，科学家们找到酪蛋白激酶I-d、周期节律蛋白同源基因2、隐花色素2等致病基因，而且推动了相关功能实验的研究。

与睡眠时相提前综合征比，关于睡眠时相延迟综合征的遗传学研究开始得较早，年在发作性睡病做出相关开创工作的日本科学家本田丰发现人类白细胞抗原DR1与睡眠时相延迟综合征的相关性，而家族性睡眠时相延迟综合征最早在年被报道，后续研究发现周期节律蛋白同源基因3、乙酰基转移酶、clock为致病基因。除此之外，科学们还发现早晨蓝光提前褪黑素的节律相位。

除了睡眠时相提前综合征与睡眠时相延迟综合征，同样通过遗传分析找到致病基因的还有家族性少睡异常。科学家们通过群体遗传学分析找到谷氨酸受体3与睡眠时长相关，通过少睡异常家系则找到E类基本螺旋环螺旋蛋白41。

其他人类睡眠异常，也有部分遗传学与功能验证，在此不一一赘述。

关于未来

随着高通量测序、活体成像、遗传操纵等多种技术的发展，睡眠的机制将在不久的将来被人类破解。

很想回到过去，告诉那个失眠的自己，一切都会好起来。也告诉未来的自己，我现在睡得很好。

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