生理性睡眠覺醒的潛在調節機制

盧維杰,吳國泰,劉 凱,趙信科,李倩蓉,李應東

(甘肅中醫藥大學 1.中西醫結合學院、2.藥學院,甘肅 蘭州 730000)

本文以視交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN)及催眠原為核心,闡述其自身的調節機制以及其與各種睡眠覺醒調節機制的解剖聯系,歸納其潛在的調節機制。借睡眠環境、睡眠習慣對SCN及催眠原的影響,理解失眠的認知行為在睡眠覺醒調節中的重要意義。

1 睡眠晝夜節律系統

1.1 SCN—睡眠晝夜節律系統的調控核心SCN位于下丘腦,是睡眠晝夜節律系統的調控核心,將晝夜生理和行為節律(包括睡眠和清醒、溫度、進食、神經內分泌和自主神經效應)與每天24 h周期性同步,以匹配環境光暗循環,從而協調優化內部時間節律[1]。

SCN節律的分子遺傳機制是Fig 1所示的轉錄-翻譯負反饋回路,其中最關鍵的轉錄因子和基因包括腦和肌肉芳基烴受體核轉運體樣1 (brain and muscle aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator-like 1,BMAL1)、晝夜運動輸出周期Kaput(circadian locomotor output cycle Kaput,CLOCK)、周期1-3(period1-3,Per1-3)和隱花色素1-2(cryptochrome 1-2,Cry1-2)。CLOCK和BMAL1通過與啟動子區域中的E-box元件結合,異二聚化并促進Per1-3和Cry1-2的轉錄,在細胞質被翻譯為蛋白質產物并蓄積,而累積的蛋白質產物可以進入細胞核負反饋抑制Pre1-3、Cry1-2的轉錄,以維持自身的生物節律[2]。

Fig 1 Molecular mechanism of circadian clock system

白天光信號經光暗通路傳入,Per和Cry被激活,轉錄產物在細胞質中積累,磷酸化并與酪蛋白激酶I(casein kinase I,CKI)形成三聚體復合物,其可轉移到細胞核中,通過與CLOCK和BMAL1結合來介導反饋抑制。夜間蛋白復合物直接抑制這些基因的激活,從而在整個夜晚關閉轉錄,直到早晨到來時蛋白質降解[3]。此外,有報道REV-ERBα和維甲酸相關孤兒受體(retinoid-related orphan receptors,ROR)家族,主要調節BMAL1轉錄和調節CLOCK表達,參與SCN自身節律的調控[4]。

研究發現,多巴胺受體(dopamine receptors,DR)激動劑可以治療SCN中Per2表達周期延長的晝夜節律紊亂。而且運動、飲食等能通過增強多巴胺的釋放活動影響生物的晝夜節律行為[5]。說明多巴胺可能通過SCN中的DR,抑制Per2的表達影響自身節律。

總之,光暗信號、飲食、運動等外界環境因素,通過光暗通路、SCN內的DR影響SCN內在的生物鐘。而SCN依據自身節律,通過多種途徑調節睡眠與覺醒。

1.2 SCN調控睡眠晝夜節律的解剖基礎SCN由下丘腦兩個成對小核組成,每個核包含約10 000個神經元,接受來自外部刺激的晝夜節律信號,尤其是光,但也受到其他外部因素的影響,如運動和進餐時間等,是控制晝夜平衡的關鍵部位[6]。核心或腹側SCN負責感覺過程,從而可以檢測光暗信號,而外殼或背側SCN則負責將信息傳出[7]。

SCN的信號輸入通路：光暗檢測通路是光暗信息傳遞到SCN的途徑,由特化的固有光敏視網膜神經節細胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells,ipRGCs)介導,ipRGC是一種特殊的視網膜細胞,含有光色素黑視蛋白,它是轉導光暗信號,刺激晝夜節律系統的關鍵[8]。不同于視桿細胞和視錐細胞,該細胞接受外界光刺激時發生去極化,刺激視網膜下丘腦束(retinal hypothalamic tract,RHT)啟動動作電位,傳遞信號給SCN[6]。DR是G蛋白偶聯受體,存在于整個SCN和周圍神經系統中。研究發現SCN內的DR通過接受大腦中增多的多巴胺,抑制SCN的神經元活動,進而影響下游的食欲素等系統[5],是SCN感知外界信息的另一種途徑。

自SCN始、參與睡眠覺醒調節的中繼核團：下丘腦室下區(subparaventricular zone,SPZ)、背內側下丘腦核(dorsal medial hypothalamus,DMH)是SCN聯系VLPO的兩個重要的中繼核。SPZ是SCN神經投射的主要傳出目標,背側SPZ傳遞來自SCN控制體溫節律的信號,腹側SPZ對睡眠和運動活動的節律至關重要,其輸出本質上與SCN的輸出平行并增強SCN的輸出信號。DMH同樣位于下丘腦,與自主神經應激反應、進食和皮質類固醇的晝夜釋放有關,在驅動各種行為晝夜節律(包括睡眠-覺醒節律)方面發揮著作用[9]。下丘腦室旁核(paraventricular nucleus,PVN)是大腦中最重要的自主控制中心之一,在許多穩態反應中發揮作用,其神經元與下丘腦、腦干、邊緣區域和前額葉皮層中的多種神經元廣泛連接,具有自主作用,包括協調心血管、體溫調節、代謝、晝夜節律[10]。

SCN傳出、調控睡眠覺醒的解剖通路：一方面,SCN以較稀疏的神經纖維直接投射或經中繼至視前區腹外側部(ventrolateral preoptic area,VLPO)[11],與腦干網狀上行激活系統聯系,調控睡眠與覺醒[12]。其既可憑較密集的神經纖維,經DMH中繼,投射至VLPO;亦可以經SPZ直接投射到VLPO;而且SCN也從SPZ經DMH,再至VLPO[13]。VLPO主要通過調控γ-氨基丁酸的釋放來調控失眠與覺醒狀態[14]。另一方面,SCN直接支配PVN。從PVN開始,該通路向下傳遞神經軸,到胸脊髓的中間外側細胞柱,再到頸上神經節,其節后纖維釋放神經遞質去甲腎上腺素,作用于松果體β1受體,激活褪黑素合成酶系,使褪黑素的合成和分泌增加,而網狀腦干又分布有褪黑素受體,因此,SCN通過褪黑素作用于腦干網狀上行系統,影響著睡眠覺醒狀態的調節[15]。而且,SCN通過其他核團中繼后投射到下丘腦外側部食欲素神經元,通過其廣泛分布于中樞神經系統的受體[16],或食欲素神經元通過投射至VLPO[17],參與覺醒與睡眠狀態的調控。此外,SCN通過SPZ中繼,可以憑稀疏的神經纖維,直接投射至中縫背核、藍斑、前藍斑區、外側臂旁核等腦干網狀上行激活系統聯系[13],見Fig 2。

1.3 SCN依據自身節律,通過多種途徑參與睡眠覺醒的調控基于其復雜的解剖聯系,SCN依據自身節律,通過多種途徑參與睡眠覺醒的調控。首先,SCN經SPZ作用腦干網狀上行激活系統調節睡眠與覺醒[13]。其次,SCN通過VLPO途徑作用于腦干網狀上行激活系統調節睡眠覺醒[18],其主要機制為通過VLPO對促醒腦區的抑制發揮促眠作用[19]。另外SCN直接或間接通過食欲素神經元調控睡眠與覺醒[20]。最后,SCN通過褪黑素調節睡眠與覺醒狀態[21]。因每條途徑包含復雜機制,此處不在詳述。

2 睡眠穩態驅動系統

2.1 睡眠穩態驅動系統的提出隨著對睡眠調控研究的不斷深入,發現單以光暗信號為據,通過SCN調控整個睡眠覺醒周期變化的觀點有諸多的不足之處,如正常人白天可以入睡,夜間也可以保持清醒狀態,這與晝夜節律系統調控的理論相悖。研究發現,隨著清醒持續時間的增加,腺苷、前列腺素D2(prostaglandin D2,PGD2)等促進睡眠的物質增加與生理性睡眠需求的增加相一致,于是,有學者提出來另一個影響睡眠調節的系統,睡眠穩態驅動系統[22]。該系統認為,睡眠的穩態是機體穩態的一部分,睡眠與覺醒的時間比例在一定的范圍波動,人體在給定時間段內所需的睡眠總量往往又非常一致,并且獨立于晝夜節律系統之外,當睡眠剝奪發生后,需要恢復睡眠的需要進一步說明了這種機制的存在。

2.2 睡眠穩態驅動機制

2.2.1催眠原對睡眠穩態驅動系統的影響 睡眠穩態系統由多個因素驅動,已經確定了一整類稱為催眠原的分子,研究發現其會增加穩態睡眠驅動力[22]。核苷腺苷是其中最重要的一種,它在大腦中產生,既作為神經遞質,又作為ATP代謝的產物,其促眠的作用,因非特異性腺苷受體拮抗劑——咖啡因而為大家所熟知。研究表明,腺苷隨著喚醒時間的增加和睡眠時間的減少,會在大腦中積累,特別是在基底前腦中,而低濃度和高濃度的腺苷因作用不同的部位而發揮不一樣的作用。研究發現,低(納摩爾)濃度的腺苷已被證明可以增強喚醒神經元傳遞發揮促醒作用,而高(微摩爾)濃度的腺苷則激活刺激性A2AR來抑制喚醒神經元信息的傳遞以引起睡意。因此,生理狀態下,長期睡眠的缺乏會導致催眠原增多(如腺苷)而引起睡意。

另一種較為典型的物質是PGD2,它是前列腺素H2經前列腺素合成酶的作用形成。研究發現,中樞神經系統中的PGD2有調節睡眠、體溫、嗅覺功能、傷害感受等作用[23],主要由脂鈣蛋白型前列腺素合成酶產生,兩者大量存在于大腦和腦脊液中,而PGD2受體是PGD2調節睡眠最重要的靶點,主要表達在基底前腦的腹側表面,其位于軟腦膜而非腦實質,因此需要一個次級促睡眠信使將軟腦膜的睡眠誘導信號,傳遞至VLPO中促睡眠神經元[22]。研究發現,當PGD2注入基底前腦蛛網膜下腔時,觀察到細胞外腺苷水平升高,而PGD2受體中沒有這種升高,這表明PGD2受體附近的細胞可能利用腺苷作為次級促眠信使,調節睡眠,而后續的研究也確實證明,PGD2受體刺激A2AR,激活VLPO中的神經元[24],導致睡眠開始,其主要是影響腺苷的釋放,發揮穩態睡眠調節的作用。研究發現,PGD2誘導的睡眠能被腺苷A2AR阻斷劑所對抗,提示A2AR介導了PGD2的促眠作用[25]。其他幾種分子,例如IL-1和TNF-α,已被假設以類似方式作用以參與睡眠穩態的調節[26]。

2.2.2催眠原調節睡眠的機制 催眠原種類雖多,但目前以腺苷與PGD2為研究熱點,實際上PGD2通過A2AR實現其促眠作用,故本小節闡述以腺苷為核心的催眠機制。

2.2.2.1 腺苷受體的類型及分布 腺苷受體均屬于G蛋白偶聯受體,A1R和A3R屬于G蛋白中的Gi家族,A2AR和A2BR是Gs家族。研究發現,與睡眠相關的包括A1R、A2AR,A1R在大腦皮層、丘腦、海馬以及基底神經節(basal ganglia,BG)廣泛表達,在下丘腦外側Orexin和TMN組胺能神經元中的表達也達到一定水平[27];A2AR在前腦區,尤其是紋狀體、伏隔核、嗅結節和嗅球中高密度表達。

2.2.2.2 與腺苷相關的睡眠覺醒腦區 下丘腦結節乳頭體核(tuberomammillary nucleus,TMN)是組胺能神經元集中分布的腦區,其內組胺神經元在覺醒期保持緊張性活動,NREMS期活動減少,REMS期停止放電,被認為是最主要的覺醒調節中樞之一[28]。BG由紋狀體、蒼白球、丘腦底核和黑質4個主要核團組成,控制動機性行為,參與運動功能、習慣養成和獎賞、成癮行為等。臨床上,帕金森病、亨廷頓氏病、毒品成癮及抑郁癥等均可表現出基底節功能異常,表現出不同程度的睡眠障礙,揭示BG可能參與睡眠調控。VLPO、Orexin神經元經腺苷作用也參與睡眠覺醒的調控,具體內容參照本文相應VLPO、Orexin部分。生理狀態下,腺苷隨覺醒時間的增加而累積,直接或間接通過分布于相應睡眠覺醒調節腦區的A1R、A2AR發揮促眠作用。

2.2.2.3 腺苷經不同睡眠覺醒腦區的A1R、A2AR發揮不一樣的促眠作用 研究發現,腺苷作用于基底前腦、下丘腦外側部和TMN覺醒神經元的A1R發揮抑制作用以促進睡眠;腺苷也可以經A1R對VLPO或外側視前區睡眠神經元的抑制作用促進覺醒[29]。在經基底前腦局部給予腺苷或A1R激動劑,可增加NREM;而在側腦室給予A1R的激動劑卻不能明顯改變NREM和REM睡眠量[30];腺苷通過作用于下丘腦外側Orexin、TMN組胺能神經元A1R,對調控睡眠具有較明顯的作用[25];此外,A1R基因剔除動物(體內A1R缺失)基礎狀態或睡眠剝奪后的睡眠覺醒行為均無差異。以上說明腺苷對A1R所在的調控睡眠的腦區表現出明顯的腦區依賴性[25],且在睡眠內穩態調節中,A1R并非必需。

腺苷或PGD2激動A2AR,可以使VLPO處c-Fos增加,誘導的NREM睡眠。解剖上從VLPO到TMN存在高度密集的神經投射,主要為GABA和丙甘肽,其抑制TMN神經元,發揮促眠作用。興奮A2AR,也可以直接增加TMN區GABA釋放,抑制組胺能覺醒系統[25]。此外,激活軟腦膜或伏隔核神經元上的A2AR,可能也會增強VLPO區的活性,活化VLPO神經元可能抑制多種促覺醒區域,誘發睡眠。目前,更多的證據表明A2AR在腺苷睡眠調節中扮演重要角色。大鼠基底前腦蛛網膜下腔區給予A2AR選擇性激動劑CGS21680,能明顯增加NREM睡眠量,而給予A1R激動劑僅產生很弱的作用;基因敲除小鼠研究發現,咖啡因可以促進WT和A1R敲除小鼠的覺醒,但并不能增加A2AR敲除小鼠的覺醒水平,表明咖啡因的覺醒作用是阻斷A2AR,而非A1R[25],也從側面反應A2AR在睡眠調節中發揮更為重要作用。

2.2.2.4 睡眠穩態的分子調節機制 分子層面,腺苷通過A1R/A2AR信號轉導,激活Ca2+-ERK-AP-1和 CREB/CRTC1-CRE通路來調節時鐘基因Per1和Per2,從而作用于SCN,也可以調控睡眠覺醒[31]。關于穩態睡眠壓力系統機制的一個新興研究領域,可能是蛋白質磷酸化過程。已發現一個蛋白質家族,即睡眠需要指數磷酸化蛋白(sleep need index phosphorylation proteins,SNIPPs),在醒來時會穩定磷酸化,而在睡眠期間會去磷酸化[32]。激酶Sik3已被證明有助于這種磷酸化。這種激酶的組成型活性突變體已被證明可以人為地誘導睡眠壓力,從而導致小鼠在非快速眼動睡眠期間具有更高的睡眠時間和delta功率[33]。但整體而言,很少有研究涉及,睡眠-覺醒控制的大腦區域是否以及如何參與穩態睡眠的調節[34]。

3 睡眠晝夜節律系統與睡眠穩態驅動系統之間的相互作用

研究發現,這兩種機制相互協同配合,共同實現睡眠覺醒狀態切換的整體調控[34]?？偨Y兩系統調控睡眠覺醒的機制與途徑,我們發現其可通過許多交叉融合的部分共同調控睡眠與覺醒。機制層面而言,SCN依據外界信息的輸入,在分子水平調節自身的生物種調控睡眠與覺醒,而內穩態系統也可以通過升高的腺苷作用于SCN的Pre1、Pre2影響睡眠覺醒狀態。作用途徑而言,兩者協調配合,均可通過基底前腦、VLPO、Orexin神經元、TMN神經元共同完成睡眠的調節,見Fig 2。

Fig 2 Physiological sleep-wake regulation diagram

宏觀層面而言,穩態睡眠驅動力在清醒狀態(通常是白天)由小到大累積;同樣,在白天,晝夜節律驅動力也很高并且還在增加,但此時晝夜節律驅動的力度要明顯大于穩態睡眠壓力,故人可以維持清醒狀態。在周期的黑暗階段開始時,穩態睡眠驅動和晝夜喚醒驅動都很高,相互抵消了兩者的影響。然而,在黑暗階段開始后,晝夜喚醒驅動開始減少,而穩態睡眠驅動保持高位,刺激睡眠狀態的開始。在清晨睡眠狀態結束時,晝夜喚醒驅動仍然很低,但穩態睡眠驅動低到足以補償,導致開關再次翻轉并開始喚醒狀態(如低(納摩爾)濃度的腺苷發揮的促醒作用)。這種雙調控,對正常節律之外的睡眠情況有重要影響[35];例如,在輪班工人中,清晨入睡不是問題,因為晝夜喚醒驅動力低且睡眠壓力高。然而,由于晝夜喚醒驅動增加而睡眠壓力下降,因此整天保持睡眠可能很困難。

4 小結與展望

鑒于睡眠覺醒調節系統復雜的生理聯系及神經檢測技術尚未十分發達,睡眠覺醒的整體調節機制往往難覓全貌。然而,研究者們通過對各種類型睡眠機制辛勤的探索,發現SCN主導的晝夜節律系統,與各類熱門研究的睡眠覺醒調控系統存在解剖上的聯系,此外,SCN的略長于24 h的自主節律又與一日24 h的生理行為需求高度吻合,引起大家考慮,SCN在整個睡眠覺醒調控中的重要地位。睡眠穩態的需求驅動,又將內源性的促眠、促醒物質做一整合,回答了晝夜節律系統所不能回答的睡眠中的倒班問題。以上兩系統,為失眠的認知行為治療(cognitive behavioral therapy for insomnia,CBT-I)提供了理論依據。外界24 h的光暗變化、溫度、進食等環境因素,在很大程度上影響SCN的自身節律,從而影響著對睡眠覺醒狀況的調控;而睡眠習慣(如白天休息時間過長、輪班工作、飲用咖啡等)會通過影響睡眠穩態驅動系統,影響睡眠覺醒的調控。而最新的研究表明,睡眠驅動可以重新配置、喚醒晝夜節律系統,以調節個體一日內睡眠覺醒的分布,這更加突顯,睡眠晝夜節律系統與睡眠穩態系統是一個相輔相成的整體,其中環境因素及睡眠習慣在睡眠覺醒調節中有重要意義,見Fig 3。因此,通過CBT-I,改變睡眠環境與習慣,在失眠治療中十分必要。

Fig 3 Sleep-wake mechanism affected by CBT-I

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突