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
后部的觉醒中枢相对，正常情况下与觉醒中枢形成平衡。

Nauta后来证实下丘脑前部视前区（preopticarea）存在促使睡眠的区域。

用电刺激这一区域可以诱发出行为抑制并伴有与睡眠一致的相关性改变，这一区域的神经细胞被认为具有抑制上行网状激活系统神经细胞的作用。

20世纪60年代发现电刺激视前区和前脑基底，可以引起嗜睡、睡眠行为和睡眠EEG改变，与此相反这些区域的大面积损伤可以引起睡眠减少和睡眠周期的消失。

因此，下丘脑前部、视前区、前脑基底和脑干下部对睡眠的产生具有重要的作用。

然而，Villablanca等人发现这些结构还不足以产生慢波睡眠，基底神经节和大脑皮层也参与睡眠的形成和维持。

他们发现具有脑干下部和间脑的去皮层和纹状体动物（如间脑猫）并没有显示出正常睡眠而是显示慢波睡眠的明显减少，尽管前脑基底的部分损伤可能在这些动物上发生，且这可以解释睡眠的减少，但结果不能解释基底神经节和大脑皮层在诱导和维持睡眠中的作用，正常情况下，间脑尾部的睡眠抑制作用和脑干吻部保持平衡，电刺激尾状核和眶额部皮质可产生皮层同步现象和睡眠行为。

皮层前部的双侧损伤可引起持久的中等度睡眠减少，而尾状核的损伤则引起暂时性的睡眠减少，另外一些损伤表明，眶额部皮质在慢波活动的产生和睡眠行为的产生中尤其重要。

研究表明眶额部皮层和前脑基底、视前区和下丘脑前部共同组成前脑睡眠诱导系统（forebrainsleep-induceingsystem）。

神经解剖和神经生理研究表明，前脑睡眠诱导系统与边缘系统(limbicsystem)有联系，并且这个大系统与脑干激活系统互相作用。

从早期的神经解剖研究中发现视前区和下丘脑前部的神经细胞与前脑边缘结构互相联系，包括隔区（septum）、杏仁核和眶额皮质，并下行投射到边缘中脑区域（limbicmidbrainregion），有人称之为边缘前脑-中脑环路（limbicforebrain-midbraincircuit），这个下行投射扩展至中脑内部结构（medialstructure），包括中央灰质（centralgray）和缝核，也终止于中脑网状结构，电刺激脑干基底部显示出中脑网状神经细胞持续活动的破坏，这个结果支持前脑的睡眠产生神经细胞可以部分通过与上行网状激活系统的拮抗神经细胞而起作用。

因此，睡眠产生系统（sleep-generatingsystem）应该包括延髓网状结构背侧的神经细胞、孤束核和前脑睡眠诱导系统。

前脑边缘区域和脑干下部的自律中心也有明显的联系，下丘脑前部的神经细
胞直接投射至孤束核和邻近的延髓区域，发送纤维通过脑桥的臂旁核。

除了作为视前区、下丘脑前部和臂旁核的重要传入外，眶额皮层也直接投射到孤束核。

这些前脑和脑干下部的结构通过相互联系形成一个系统，除了影响睡眠外，在内脏反射方面起重要作用。

由于睡眠和副交感中枢（parasympatheticcenter）在下丘脑前部重叠存在，因此，刺激这一部位可引起睡眠行为和EEG改变，同时也引起血压降低、心率减慢和瞳孔缩小。

相反，觉醒和交感中枢（sympatheticcenter）在下丘脑后部重叠存在，刺激这一区域在引起觉醒和皮层活动的同时，也引起血压升高、心率增快和瞳孔增大。

在慢波睡眠中，活动性增加的神经细胞主要位于脑干，孤束核区域的一些神经细胞在慢波睡眠时的活动性比觉醒时高，然而目前对于它们的活动性增高是否会产生睡眠还不肯定。

这些与睡眠相关的细胞与同一区域的觉醒时活动性增高的细胞相互混合存在。

早期的电生理学家曾惊奇地发现慢波睡眠时大脑皮层的神经细胞处于活动状态，并且以突发形式（burstingpattern）放电，由于两次突发放电的间期较长，这种短暂的突发放电与慢波睡眠时的皮层和丘脑平均尖波速率（averagespikerate）的下降有关。

这种状态是丘脑皮层系统可以相对休息的一种形式，这种突发的活动的出现与纺锤波有关，它由丘脑产生，丘脑网状神经细胞驱动。

3.睡眠与神经递质
睡眠：一方面兴奋性神经递质的活性降低，另一方面是能释放抑制性神经递质的神经元被激活。

1、乙酰胆碱激活唤醒系统，而腺苷抑制唤醒系统。

基底前脑细胞：在觉醒期间，随着腺苷的积累，刺激抑制性腺苷受体，逐渐抑制基底前脑的唤醒神经元，导致睡眠。

睡眠后腺苷积累逐渐下降。

2、前列腺素是另一种促进睡眠的化学物质，它存在于身体的许多部位，与腺苷相似，白天时逐渐积累直到诱发睡眠，睡眠时含量降低。

3、引起睡眠的主要的抑制性神经递质是g-氨基丁酸(GABA)，这些神经细胞也位于基底前脑。

4.睡眠与觉醒的功能失调
（一）、失眠
1、失眠的分类： 1）入睡困难型 2）保持睡眠困难 3）早醒型
2、失眠的原因： 1）心理因素 2）环境与外在因素 3）疾病和药物因素的影响4）生物节律异常 5）镇静药依赖
（二）、发作性睡病
1、表现：在不应睡眠的时间里，频繁地、突然地陷入睡眠状态。

1）睡眠发作 2）猝倒 3）睡眠麻痹 4）入睡前幻觉
2、原因：
1）、认为是一种器质性睡眠障碍，与遗传因素及与间脑、下丘脑和脑干病变有关。

2）、神经生化机制：在快波睡眠期间，部分乙酰胆碱突触过分激活脑桥区，抑制肌肉活动。

（三）、睡眠的阶段性障碍
1、梦呓：又称说梦话，醒后绝大多数不能回忆；多出现在慢波睡眠较浅阶段。

2、睡行症：又称夜游症或梦游症只出现在慢波睡眠的
3、4期。

并多在夜间睡眠的前1／3期间。

3、夜惊：睡中出现惊叫、颤抖、手足快速运动等极度恐怖表现，事后对这种体验不能回忆。

常在睡眠后1h，在慢波睡眠4期。

4、梦魇：通常出现在快波睡眠期。

患者突然从恶梦中醒来，表情焦虑恐惧，醒来后神志清醒，能很好地回忆梦中的情景。