睡眠穩態的電生理機制*

肖雪 陳棟 劉佳麗 王亮**

（1）中國科學院心理健康重點實驗室 （中國科學院心理研究所），北京 100101；2）中國科學院大學心理學系，北京 100049）

人類和動物都遵循休息-活動的行為模式，中樞神經系統的進化并沒有從根本上改變該模式，大腦需要一段時間休息，以恢復能量，這一階段通常被稱為睡眠。睡眠時會喪失對外界的感知，雖然是可逆的，但有機體仍然暴露于危險之中，這說明睡眠一定有十分重要的生理功能［1］。睡眠不僅有利于維持機體正常的認知功能和情緒調節能力［2］，同時也會影響新陳代謝和免疫反應［3-4］。睡眠不足可能會導致無法及時清除清醒時積累在中樞神經系統中的潛在神經毒性分子，從而誘發阿爾茨海默病等腦疾?。?］。

睡眠不足可能來自于完全的睡眠剝奪（例如輪崗工作制）、睡眠受限（sleep restriction，也稱為部分睡眠剝奪，受工作、生活方式和疾病的影響而睡眠不足）和睡眠碎片化（sleep fragmentation，在睡眠障礙中很常見）［6］。特別的是，睡眠受限是一種很常見的現象，長期的睡眠受限會影響到認知狀態、運動能力、情緒和社交功能［7］，甚至可能會導致晚年認知能力下降，增加罹患老年癡呆的風險［8］。但也有研究發現，睡眠具有很強的穩態調節能力，即睡眠穩態（sleep homeostasis）。前人研究發現，即使完全剝奪睡眠11 d，也能在1周內恢復到基線水平［9］。而在經歷了短期的睡眠受限后，也能在恢復睡眠的第2晚回到基線狀態［10］。當睡眠不足時，睡眠穩態會通過延長或加深隨后的睡眠來進行彌補。即使在基線條件下，睡眠穩態也在發揮作用，睡眠壓力會在清醒時不斷累積，到達一定程度便會進入睡眠狀態，直到通過睡眠將壓力釋放（圖1）。正是由于睡眠穩態的存在，人類及其他大多數動物才會不得不進入睡眠狀態，通過睡眠的功能維持有機體的正常運作［11］。

Fig.1 The model of sleep homeostasis圖1 睡眠穩態示意圖

精神疾病通常伴發睡眠穩態失調，例如精神分裂癥［12］、雙相情感障礙［13］、重度抑郁障礙［14］和酒精依賴障礙［15］等，睡眠穩態失調會對其整個病程、生活質量和治療效果產生負面影響。此外，神經發育障礙疾病，例如自閉癥，其患者相比于對照組在睡眠早期會表現出更低的睡眠壓力［16］?？紤]到短期睡眠剝奪可以增強睡眠穩態，因此有研究者提出或許可以通過限制睡眠在一定程度上改善抑郁癥患者的失眠狀況［17］。然而，實證研究結果存在爭論，有研究發現10個夜晚的睡眠限制治療并不能顯著增加慢波活動（slow wave activity）［18］。因此，在這種行為療法收效甚微的情況下，對睡眠穩態生理機制的認識便顯得格外重要。而除了藥物治療，近些年無創腦刺激因其成本低、便攜性強和副作用低等優勢逐漸成為臨床治療最有前途的工具之一，已在各類神經疾病和精神障礙中開展了廣泛的應用研究［19］。因此，本文以促進睡眠健康為宗旨，聚焦神經電生理活動，簡要綜述睡眠穩態在慢波活動和單細胞放電方面的研究進展。

1 慢波活動與睡眠穩態

哺乳動物的睡眠由非快速眼動睡眠（nonrapid eye movement，NREM）和快速眼動睡眠（rapid eye movement，REM）組成，其中前半夜主要是非快速眼動睡眠［20］。NREM睡眠的慢波活動是睡眠強度和睡眠需求的敏感標志物。慢波活動指的是功率在0.5~4.5 Hz的腦電活動，在NREM睡眠期間，慢波反映了丘腦和皮層神經元靜息膜電位的變化，這些神經元在去極化的“UP”（也稱為“活躍期”）和超極化的 “DOWN”（也稱為“靜默”或“不活躍期”）之間切換。在“UP”狀態，丘腦和皮層神經元同步放電，而在“DOWN”狀態，膜電位的超極化使得神經元同步放電暫停［21］。這種狀態切換破壞了皮層間的有效連接和信息傳輸［22-23］，因此慢波活動越強烈，從NREM睡眠中喚醒所需的刺激強度就越高［24］。

慢波活動被認為是睡眠穩態的電生理標志物，能夠表征睡眠穩態的動態變化。早期研究已經發現，慢波活動在睡眠初期占主導地位，并在睡眠期間表現出整體下降的趨勢［25-28］，這與睡眠壓力的釋放一致。慢波活動還會受到睡前清醒時間的影響，清醒的時間越長，隨后NREM睡眠的慢波活動水平越高。例如，研究發現，睡眠剝奪40.5 h會導致恢復期睡眠中慢波活動顯著增強［29］。而如果在白天小睡，則隨后夜間睡眠的慢波活動會減弱［30］。此外，睡眠穩態的數學模型“進程S（Process S）”也能與實際觀測到的慢波活動高度吻合［31-33］。以上這些研究都說明慢波活動能夠很好地表征睡眠穩態的動態變化，與清醒時睡眠壓力累積和睡眠時壓力釋放的過程吻合。因此，慢波活動被認為是睡眠穩態的強有力標志物，并且在不同物種間具有保守性［34］。

為何慢波活動能夠表征睡眠穩態的動態變化？考慮到慢波活動高同步的特性，有研究者提出假說，認為慢波活動可能有利于神經元的休息，清醒時神經元持續放電可能導致“疲勞”，能量資源耗盡而無法正常運行，因此神經元需要休息，但由于神經元相互連接組成神經系統，單個神經元的休息可能會擾亂系統，因此神經元需要共同休息（DOWN）共同活動（UP），腦電信號記錄到的便是低頻高幅的慢波活動［35］。神經元通過這種方式將清醒時累積的疲勞釋放，從而維持神經元的穩態活動。但實證研究發現持續放電引起的神經元疲勞無法解釋睡眠剝奪后慢波活動的增加［36］。

值得注意的是，慢波活動不僅與清醒時長有關，還與清醒時的行為活動有關［37］。研究發現，通過反復振動右手刺激左腦的感覺運動皮層，會增強隨后NREM睡眠時該腦區的的慢波活動［38］。類似地，研究發現，在控制總清醒時長恒等的情況下，探索行為越多的大鼠隨后睡眠中的慢波活動水平越高［39］。此外，特定學習任務誘發的可塑性變化也會導致慢波活動局部增加。在一項視覺運動任務中，被試需要操作手持光標使其到達目標位置，在這個過程中被試無意識地旋轉了手臂，經過睡眠任務表現提高，并且任務表現的提高與局部慢波活動的增加相關［40］。反之，在固定手臂1 d后，睡眠時運動皮層的慢波活動會下降［41］。在動物研究中也存在類似的現象，大鼠在經過伸手訓練后，相應腦區的慢波活動增加，而其他皮層則無明顯改變，同時慢波活動的增加與訓練表現的提高正相關［42］。

根據以上發現，突觸穩態假說（synaptic homeostasis hypothesis）認為，在清醒時累積的是許多神經環路的整體突觸強度，它在清醒時因為學習而增加，需要在睡眠時進行修剪，以避免神經可塑性帶來的高額負荷［43］。慢波活動之所以在長期清醒后增強，是因為此時神經元間的聯系更加緊密，活動同步性更高。在睡眠期間，由于突觸修剪，神經元之間的連接變弱，因此越到睡眠后期，慢波活動越少。為了直接檢驗該理論，研究者通過注射zeta抑制肽（zeta-inhibitory peptide，ZIP）抑制大鼠右側運動皮層的突觸活動，結果發現ZIP選擇性地減少了局部慢波活動，但不影響整體的睡眠-覺醒周期［44］，說明突觸強度是產生局部睡眠需求的重要生理機制。但是全腦的睡眠需求在很大程度上卻似乎與清醒時的行為無關，無論是標準的轉輪運動還是復雜的轉輪運動，小鼠前額葉和枕葉頭皮腦電圖（electroencephalograhpy，EEG）的慢波活動都沒有顯著差異［31］。此外，通過限制小鼠進食啟動食物預期性行為（food anticipatory activity）和重組睡眠-覺醒周期后，小鼠為在光照期進食會減少黑暗期前額葉和枕葉頭皮EEG的慢波活動，但是與基線期相比24 h內積累的慢波活動總量是相似的［45］。因此，突觸穩態理論似乎無法完全解釋睡眠穩態現象。

疾病也會影響到睡眠時的慢波活動。睡眠障礙患者，例如失眠和快速眼動睡眠行為障礙患者的慢波活動下降幅度相比健康個體都會更少更慢［46-47］。并且最近的遺傳學研究顯示，決定睡眠時間的基因與精神疾病和神經發育障礙密切相關，表明睡眠-覺醒周期與這些疾病有一些共同的機制［48］。此外，雖然癲癇病人的異常電活動使其睡眠時慢波活動水平比健康人群更高，但慢波活動在睡眠過程中的下降并沒有受到影響，無論是兒童還是成人都維持了睡眠穩態的基本功能［49-50］。因此慢波活動雖然是電生理活動，但在維持睡眠穩態上“它與一種內源性睡眠化合物的水平有關，這種化合物在睡眠中被消除或失活”［51］。該化合物可能是腺苷［52-53］，但也有可能是其他物質，仍未有定論。

2 放電率與睡眠穩態

神經元活動的典型模式是放電活動，通過放電組織形成動態變化的神經系統，發揮大腦的各項功能。那么睡眠穩態是否會影響到大腦神經元的放電活動呢？有研究者通過連續記錄大鼠在自發睡眠以及睡眠剝奪后的EEG和桶狀皮層單細胞活動發現，在長時間清醒后，皮層神經元在所有狀態下的放電率都顯著提高。并且放電率的變化伴隨著慢波活動同步性的變化，在早期NREM睡眠期間，“UP”狀態持續時間短且頻繁，“DOWN”狀態則持續較長時間，同時神經元放電更同步。而在睡眠晚期，放電率和同步性下降，“UP”狀態持續時間變長。該研究首次證實了皮層神經元的放電活動也會受到睡眠穩態的調控，并進一步支持了突觸穩態假說［54］。

有研究表明，不僅是大腦皮層，海馬也參與了睡眠穩態，但其機制可能與皮層不同［55-56］。研究者記錄了大鼠海馬CA1區睡眠時的放電活動，結果發現，錐體神經元和中間神經元的放電率在NREM睡眠時上升，但隨后REM睡眠的放電率迅速下降，使得睡眠時放電率整體下降，并且REM前后放電率的下降水平與REM睡眠的theta活動相關［55］。后續研究對睡眠時間進行了更為嚴格的控制，并連續長時間記錄了大鼠海馬CA1區的單細胞活動，結果發現清醒時放電率升高，睡眠時每小時放電率下降11%。同樣發現了REM睡眠放電率迅速下降的現象，有趣的是，NREM睡眠的典型波——紡錘波（Spindle）和尖波漣漪（sharp-wave ripple，SWR），能夠顯著預測放電率的下降，并且比theta和慢波更具魯棒性［56］。這些研究說明，或許睡眠穩態的神經機制是一個復雜的時空動態神經網絡，涉及皮層與海馬、NREM與REM的交互作用。

除了放電率快慢，神經元放電的另一個不可忽視的特性便是其放電率分布呈現明顯的偏態分布（skewed distribution）（圖2a），在對數坐標軸上呈現正態分布，即對數正態分布（lognormal distribution）（圖2b），這種分布模式對于神經網絡的動態變化和功能機制十分關鍵［57］。該分布會受到行為狀態的調節［58］，研究已經發現，大鼠前額葉皮層的錐體神經元在清醒時會提高神經元的放電率，使得分布的尾部變寬。而睡眠的作用便是調節該分布，穩定維持放電率的偏態分布（圖2c）。而不同的睡眠階段在其中發揮的作用不同，在NREM睡眠期間，高放電的神經元活動會減少，而低放電的神經元活動則會增加，REM睡眠期間則降低了整體的放電率［59］。因此經過睡眠后，神經元集群的放電率相比睡眠前減少，與之前的發現一致［54-56］。該研究為認識睡眠穩態開啟了新視角，即睡眠如何通過整合不同階段將神經網絡的活動調整到特定水平。

Fig.2 Sleep regulation on the distribution of firing rates圖2 睡眠對放電率分布的調節

理論和建模研究都表明處于臨界態（critical states）的神經網絡能夠表現出最佳的處理和計算能力［60-61］。臨界態是一個來自物理學的概念，表示一種在有序和無序狀態之間切換過渡的狀態［62］。雖然越來越多的證據表明，神經網絡存在臨界態，但睡眠和覺醒如何影響到神經網絡狀態的變化仍存在許多爭議［63-64］。臨界態的各類評估參數可以通過電生理數據建模計算得出，在一項人類頭皮EEG研究中，研究者發現EEG信號產生的分支參數（branching parameter）在清醒時接近1，這意味著每個激活神經元平均可以激活另一個下游神經元［65］，系統處于或接近臨界態。而隨著清醒時間的延長，分支參數變大，同步的變異性減少，同步性增強，表明大腦處于超臨界態，而睡眠則能夠將超臨界態恢復到臨界態［66］。隨后研究者進一步發現，睡眠剝奪會干擾長時程時間相關性（longrange temporal correlations，LRTCs），支持了這一睡眠功能假設：睡眠重組皮層神經網絡，使其朝著具有長時程時間相關性的臨界態發展，以便在覺醒期間實現最佳的功能和信息處理［67］。然而，一項皮層腦電（electrocorticography，ECoG）研究卻發現，人腦在清醒時的分支參數小于1，系統處于亞臨界態，而慢波睡眠時大腦的動態變化更接近臨界態，REM睡眠期間則回到亞臨界態［63］。最近一項EEG-fMRI研究也發現了類似的結果，與REM期和覺醒期相比，NREM睡眠的神經元雪崩（neuronal avalanches）更大［68］。這些爭論有可能源自數據本身的差異，未來還需要更多的相關研究。

3 總結與展望

本文圍繞睡眠穩態的電生理機制，綜述了神經元集群慢波活動和單細胞放電率與睡眠穩態的研究進展，發現睡眠穩態涉及到時空動態的復雜神經網絡活動。無論是集群的慢波活動還是單個神經元的放電活動，都表現出一致的穩定現象，即清醒時活動水平增加，睡眠時則逐漸減少，說明睡眠穩態可以體現在大腦的多個尺度上［33］。此外，為了進一步厘清睡眠穩態的電生理機制，未來研究還需要關注以下問題。

a. 腦區特異性。首先需要明確睡眠穩態是在所有腦區進行調節還是有特定的調節中心。雖然睡眠的行為狀態是全局性的：要么醒著，要么睡著，在清醒和睡眠間來回切換，但其大腦活動模式卻不一定是全局性的［69］。例如，研究發現，海豚并不在兩個半球同時表現出深度慢波睡眠［70］，在靈長類研究中發現，入睡過程可能不會在整個大腦中同步發生［71］，這些說明睡眠活動可以發生在局部。那么睡眠穩態也是局部的嗎？目前相關研究已經證實，前額葉皮層［72］、感覺運動皮層和海馬都會參與睡眠穩態［54-55，59］，似乎說明睡眠穩態在全腦普遍存在。但研究也發現，嚙齒類動物初級視覺皮層（V1）的放電率在睡眠和清醒時并沒有顯著差異［73-74］。并且睡眠穩態具有額部優勢：無論是人類［75］還是大鼠［76］，在睡眠剝奪后前額葉腦區的慢波活動都最為強烈。前額葉是負責認知活動的高級腦區，在清醒時參與了大量認知活動，因此在前額葉觀察到強烈的慢波活動或許說明了睡眠穩態可能具有層級加工模式，優先涉及那些在清醒時被激活最多的高級腦區［40］。前額葉是否承擔了調節中心或啟動腦區的角色，如何與其他腦區協同，對這些問題的探討仍然需要大量的實驗證據。

b. 睡眠階段。由于睡眠穩態與NREM期間的慢波活動緊密相關，可能會認為NREM在睡眠穩態中發揮了重要的作用。但也有研究發現，REM也參與了穩態過程調節［55-56，59］，說明睡眠穩態可能需要較長的時間甚至是整個睡眠過程才能完成。此外，NREM期間的紡錘波和尖波漣漪能夠預測REM睡眠放電率的下降程度［56］，說明睡眠階段并不是孤立的，而是存在某種協同機制，仍然需要進一步厘清。

c. 學習記憶。清醒時的theta活動（4~8 Hz）被認為是睡眠穩態的電生理標志物。研究發現，長時間處于清醒狀態會增強個體頭皮腦電的theta活動，并且該活動的增加與第1個NREM期間的慢波活動之間存在正相關關系［75］，在嚙齒類動物中也有類似的發現［77-78］。而theta活動同時也與學習記憶等認知任務息息相關，最近的研究發現，雖然學習記憶引發的theta活動與睡眠剝奪產生的theta活動在腦區上存在差異，但二者在功能上并沒有明顯的區別［79］。學習記憶與睡眠穩態或許有著共同的神經機制，但這需要更直接的證據。

d. 種間差異和個體差異。雖然生物體都有睡眠的需求，但不同物種甚至同一物種不同個體間睡眠模式仍然存在明顯的差異。嚙齒類動物的睡眠比較破碎化，整個睡眠時長較短，且睡眠時相切換頻繁，而人類的睡眠階段可以穩定持續較長時間，并且前后半夜的睡眠模式有明顯的差異，在電生理活動模式上也不盡相同［80］。雖然果蠅與嚙齒類動物的睡眠穩態在分子機制上存在一致性［34］，但需要注意的是，人類是極為特殊的單相睡眠模式，即1 d中只發生1次長時間的睡眠，而自然界大多數動物都為多相睡眠［81］，動物研究結果能否推廣到人類睡眠上仍然需要進一步證據。此外，個體間的腦電活動也不盡相同，例如PER2基因變體攜帶者相比于非攜帶者會減少約22%的慢波活動［82］。這些差異都需要謹慎對待。

1/3人群患有睡眠障礙，睡眠穩態的破壞不僅是各類精神疾?。ɡ缇穹至寻Y［12］、抑郁癥［83］等）的臨床行為癥狀，也可能是其內在誘因。早在公元前6世紀，睡眠便已成為一種治療方式［84］?，F代科技的發展有望通過無創腦刺激誘導或增強類似睡眠的慢波活動［85-86］，維持睡眠穩態，促進睡眠健康。闡明睡眠穩態的電生理機制，對于睡眠障礙及其相關精神疾病的干預具有重要意義。