睡眠与觉醒的机制

睡眠与觉醒的机制

赵天明

190701046

睡眠和觉醒是人一生中反复交替的二种生理状态，睡眠占据了人类生命中大约三分之一的时间，是人类生存的必要条件。它受制于接近地球自转周期的“昼夜节律（circadianrhythm）”的影响，同时也受人类自身“生物钟（biologicalclock）”的调控。自古以来人类就对睡眠的本质有过数不清的猜测和遐想，但直到目前睡眠和觉醒觉醒的机制（mechanismsofsleep-wakestates）仍然是困惑人类的一个基本课题。

人类对睡眠的认识是随着脑电技术的发展而逐渐深入。1875年Caton第一次从家兔和犬脑表面记录到了脑电活动波，1929年Berger从其儿子的头皮上首次记录到了人类的脑电波，并观察到睡眠和觉醒状态下，脑电图有显著不同。1953年美国芝加哥大学生理教研室的Kleitman教授和他的研究生Aserinsky第一次通过脑电、眼电和肌电的记录发现了异相睡眠(paradoxicalsleep)即快速眼动睡眠(rapideyemovementsleep)，使人类对睡眠的认识由原来的单一过程改变为包含两个截然不同时相的双相过程，即慢波睡眠和异相睡眠，并且随后的研究发现引起异相睡眠神经机制与慢波睡眠也不同。

从20世纪30年代开始，包括神经生理学、神经解剖学和神经生化学的多学科就开始对睡眠和觉醒基本机制进行研究，使人类对睡眠和觉醒有了一定的认识。在早期的研究中，损伤和刺激是最常用来鉴定神经系统中产生和维持觉醒和睡眠区域的基本方法，神经解剖学运用这些方法对动物睡眠和觉醒机制进行了大量的研究，这些研究对于了解人类睡眠和觉醒机制以及与人类脑损伤相关的睡眠紊乱和昏迷提供了神经解剖基础。神经生理学通过记录脑内神经细胞的电活动，确认可能产生睡眠或觉醒的细胞，明确了一些睡眠-觉醒产生的细胞机制，从20世纪60年代开始，更多的研究聚焦于神经递质在睡眠和觉醒过程中的作用，进一步促进了人类对睡眠和觉醒机制的理解。目前认为睡眠和觉醒是在神经和神经介质共同作用而完成，其本身受昼夜节律、人体生物钟和周围环境的影响和调节。睡眠——觉醒的神经机制

1.觉醒的神经机制

早在20世纪初，许多生理学家认为觉醒是由持续的感觉冲动传入大脑来维持。20世纪40年代在动物实验中发现，维持觉醒的神经传入并非来自躯体感觉神经而是来自于脑干网状系统，而随后的一些实验证实脑干网状结构（brainstemreticularformation）的神经细胞间接的接受来自内脏、躯体和特殊感官的传入冲动，并将这些冲动通过上行投射发送到前脑。脑干网状上行激活系统（ascendingreticularactivatingsystem）是维持皮层活动和觉醒行为的基础。

在人类的临床研究中，神经学家也注意到中脑和间脑后部的损伤可以引起嗜睡和昏迷，因此在20世纪30年代认为睡眠的调节中枢位于中脑和间脑，并且是由觉醒和睡眠中枢二部分组成，觉醒中枢位于中脑被盖和间脑尾部。后来在对昏迷和嗜睡动物和人的研究中，发现皮层活动和觉醒行为的分离现象，因此认识到有二套系统控制着皮层活动和觉醒行为。20世纪40到50年代许多实验证实皮层激活系统的存在，20世纪60到70年代的研究表明脑干网状系统并非觉醒所必须，因为切断或损伤脑干如果给予足够的时间，皮层激活最终可恢复。实际上当中脑的大面积损伤是分步逐渐进行，容许每一步损伤恢复，则不仅不会引起昏迷而且损伤可完全恢复。

生理学家通过电刺激和选择性损伤技术，发现网状结构的紧张性兴奋可通过背侧丘脑中继传递到大脑皮层。在丘脑正中核、板内核（intralaminar）内已发现广泛的皮层投射，并且能以高频电刺激激活整个大脑皮层。非特异性丘脑皮层系统依赖于网状结构的刺激，切除丘脑导致动物皮层活动的消失，但如果损伤为慢性过程，皮层活动可以恢复。对于双侧丘脑旁正中核损伤，可出现低唤醒（dearousal）或亚清醒（subwakefulness）综合征。在完全切除丘脑的动物，皮层同步功能的损伤（desynchronization）仍可通过刺激中脑网状结构得到纠正，说明皮层还存在丘脑以外另外一条通路和中继（relay）。20世纪50年代通过电生理研究发现的这条通路，在20世纪70年代通过神经解剖技术得到印证。它起源于下丘脑后部、底丘脑（subthalamus）、和前脑基底的神经细胞，然后广泛的投射到整个皮层，高频电刺激这一区域可产生广泛的皮层兴奋。早期的研究发现，电损伤或切除损伤下丘脑后部和底丘脑的细胞和纤维可引起昏迷，当时认为是由于损伤了上行网状通路所致，而另有学者认为下丘脑的神经元可直接投射到皮层。用神经毒性药物损伤下丘脑后部的神经细胞而保留神经纤维，动物觉醒水平降低，证实下丘脑的神经细胞具有这种作用。前脑基底细胞的损伤（向皮层

投射），也发现有皮层觉醒活动的丧失。

因此，觉醒的激活系统（activatingsystem）除了脑干网状结构以外，还应包括前脑基底部、下丘脑后部、底丘脑，它们接受网状结构的上行传入冲动并投射到大脑皮层。前脑基底系统似乎还具有在脑干网状结构长时间无传入冲动的情况下保持大脑皮层兴奋的作用。

神经生理学家发现在脑神经细胞的电生理记录中，大多数神经细胞在觉醒时的活动性比慢波睡眠高。在中脑网状结构中，发现向前投射至前脑的神经细胞有与皮层活动相关的高频率的紧张性放电，而在皮层出现慢波活动时其频率降低。

2.睡眠的神经机制

在20世纪40-50年代觉醒激活系统被接受以后，许多生理学家相信睡眠是由于疲倦和激活系统活动减低所引起，是一被动活动的过程。但实验发现脑干横切后睡眠可减少，说明脑内存在主动的睡眠结构。1959年Batini发现在脑桥被盖吻侧（oralpontinetegmentum）离断脑干可以引起完全失眠（totalinsomnia），说明睡眠产生的结构位于脑干后部。与此相类似的是，在临床上发现桥脑和延髓损伤的患者慢波睡眠减少或消失，这些患者缺乏警觉行为和反应，但脑电图以觉醒类型的α波活动为主，称之为α昏迷（alphacoma）。

进一步研究表明，延髓网状结构背侧的神经细胞和孤束核可以产生睡眠，其机制在于对前脑直接整合的影响和对上行激活系统神经细胞的抑制有关。孤束核(solitarytractnuclei)可以引起睡眠，它接受来自舌咽神经和迷走神经的传入冲动，来自孤束核和延髓网状结构背侧的神经细胞上行投射至脑桥和中脑，终止于臂旁核（parabrachialnuclei），后者再投射至丘脑、下丘脑、视前区、杏仁核、和眶额部皮质（orbitofrontalcortex）。孤束核最后投射到除皮质以外的这些区域。神经解剖资料显示，孤束核的主要作用不是通过网状激活系统而是通过前脑边缘结构（limbicforebrainstructure）实现，后者也与自律调节和睡眠产生有关。研究发现丘脑是睡眠产生的中心，临床上也发现家族致死性失眠（fatalfamilialinsomnia）与丘脑神经核退化有关。但动物研究表明尽管丘脑是皮层睡眠纺锤波产生所必须，但不是皮层慢波和行为睡眠所必须，丘脑完全切除上述慢波仍可持续。

早在20世纪初期有人就注意到一些“脑炎嗜睡”的患者，如果病损涉及下丘脑前部失眠是主要症状，因此认为睡眠中枢位于下丘脑前部，它与位于下丘脑