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神奇的睡眠开关找到了!

日期:2020-09-09 【 来源 : 万博体育网址周刊 】 阅读数:0
阅读提示:科学家们在小鼠的大脑中找到了一群可以调控困意的神经元,减少这些神经元后,小鼠每天需要的睡眠时间大大减少——相当于人类每天可以少睡1.5小时,而且还不会犯困!
记者|陈 冰


  “人为什么要睡觉?为什么要把1/3的生命浪费在睡觉上?令人遗憾的是,迄今为止,科学家还没有弄清楚这个生命科学中的重要未解之谜。

  与此同时,现代人因为生活和工作压力巨大,却开始饱受失眠的困扰。明明很想睡觉,却无论如何也睡不着;连续数日乃至数个星期没有睡过安稳觉,在忍受失眠痛苦折磨的同时,又对失眠的后果陷入了深深的恐惧和焦虑之中——“这样下去我会不会疯掉?”“一直不睡觉的话,我会熬死吗?”这种恐惧不仅不会改善睡眠,反而会使失眠变得根深蒂固,成为顽疾。

  有没有一种方法,让人即使熬了夜,不睡觉,也不再犯困?

  来自上海的科学家告诉你,还真有这个可能!


“困意”究竟是如何产生的?



  9月4日,顶级学术期刊《科学》杂志发表了一篇关于睡眠的最新论文,来自中科院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)的徐敏研究组与北京大学李毓龙研究组,合作揭示了“困意”究竟是如何在脑中产生的。

  睡眠是动物界普遍存在的现象,人类大约有三分之一的时间用于睡眠。睡眠不足可能会导致精神类疾病(例如抑郁症)、退行性疾病(例如阿兹海默症)、免疫力下降、心血管疾病以及代谢紊乱(肥胖、糖尿病),而成年人通常需要7-9小时的睡眠时间。

  科学家曾经对美国一名17岁的高中生进行睡眠剥夺实验,就是利用各种刺激方法阻止他睡眠。

  第1天,他心情愉悦,似乎很享受这样的安静时光,能够把不睡觉的时间用来看书、听音乐;第2天,他有些疲惫,但情绪仍然积极,在实验室中表现得平静而安静;第4天,他情绪低落、烦躁不安,开始出现幻想、妄想,本来没有什么滑稽可笑的事,他却捧腹大笑;本来不值得悲哀的事,他却嚎啕大哭;还说自己头上压了一顶帽子,使他感到难受。

  第5天,他开始发狂,大吵大嚷:一会儿说别人身上有虫子在爬动;一会儿说自己在另一个城市,好像刚从着了火的房子里跑出来……第8天,他出现言语不清,明显的记忆力、注意力下降。第11天,他的思维能力明显下降。实验人员要求他从100开始反复减去7,在这期间总共停止了65次。被问及为什么的时候,他回答说忘记了自己在做什么……

  在睡眠剥夺11天12分钟后,他不可抗拒地睡着了,无论用什么方法都不能将其唤醒,连续睡了14小时45分钟后醒来并且恢复正常,实验中出现的各种症状消失。

  这个实验说明两个问题:一个是睡眠是必要的,不睡眠可以引起各种精神症状;另一方面偶尔几天睡眠不好也并无大碍。但是睡眠究竟是怎么被调节的呢?依然未知。

  2014年,美国俄勒冈健康与科学大学神经学家 杰夫·利夫在一次名为《One more reason to get a good sleep》(一定要睡个好觉——有一个重要的原因)的 TED 演讲里说到了一个实验结论——睡觉会刷新和清洁我们的头脑。

  简单来说,就是大脑在紧张工作的时候,它一直将清理那些细胞空隙间废物的工作推迟。然后,在大脑要休息时,就切换到了“清理模式”,开始清理脑细胞间隙之间已经积累了一天的废物。这有点像我们在工作日工作的时候没有时间做家务,于是将家务推迟了。等周末到了,我们就会把所有要做的家务都做好。

  当我们睡觉的时候,大脑里的脑脊液便开始给大脑洗澡,洗掉积累了一天的代谢垃圾,这个过程一般需要持续 8 小时左右,正好符合人类最佳睡眠时间为 8 小时的说法。

  所以,这个研究的结论就是告诉我们——睡眠是维持大脑运转的必要条件,而大脑是维持生命运转的必要条件。它通过探究睡眠的作用,告诉我们“不睡不行”。并且,当睡眠不够,脑内的垃圾不能完全清除,就会积累到第二天,从而加重大脑的负担,降低它的运转的能量,而这种能量不足,表现在人身上就是无法集中注意力,无法思考。所以,当我们周末补觉的时候,就是在花更多的时间来给大脑定期做大扫除。

  经典的睡眠调控模型认为,睡眠的调节分为两个方面,昼夜节律和睡眠稳态。昼夜节律通过内在的生物钟控制一天中睡眠觉醒的时间;睡眠稳态主要由睡眠压力进行调控,控制机体获得一定的睡眠量。

  随着清醒时间的延长,睡眠压力逐渐增加;随着睡眠的进行,睡眠压力被逐渐清除。睡眠稳态调节系统会在睡眠受到干扰的时候发挥作用。比如熬夜之后,人们往往睡得更“香”,并且时间更长。

  目前,睡眠调控的研究主要可以分成两个“学派”:一个是从神经环路角度入手,研究不同脑区对睡眠觉醒的调控;另一个是从基因分子等入手,研究睡眠稳态的调控。在过去几十年,这两个方向都取得了巨大的进步。与此同时,这两个方向的研究又基本上是相互独立的。

  此番,中国的科学家将这两个方向有机结合了起来。科学家们在小鼠的大脑中找到了一群可以调控困意的神经元,减少这些神经元后,小鼠每天需要的睡眠时间大大减少——相当于人类每天可以少睡1.5小时,而且还不会犯困!


神奇的睡眠开关


  根据多年来的研究,目前普遍认为,困意与一种叫“腺苷”的分子不断积累有关。腺苷是细胞能量分子三磷酸腺苷(ATP)的“副产物”。大体来说,清醒越久,ATP不断消耗,细胞外的腺苷分子越多,它们与相应的受体相结合,抑制了神经活动,于是人就越来越困。而咖啡之所以具有提神醒脑作用,就是因为其主要成分咖啡因可以通过阻断腺苷与其受体的结合而达到促进清醒的效果。

  基底前脑被认为是腺苷参与睡眠稳态调控的重要脑区,环路层面的研究表明,该区域的局部神经环路参与到睡眠觉醒的调控中,然而神经元活动调控腺苷释放的机制目前还不清楚。这限制了人们对睡眠觉醒调控机制的深入解析。

  为了实现在睡眠觉醒周期中对基底前脑区胞外腺苷浓度高时空分辨率的检测,李毓龙研究组开发了一种新型的遗传编码的腺苷探针,该探针可以将胞外腺苷浓度的变化转化为探针荧光强度的快速变化。通过观察探针荧光强度的变化就可以知道胞外腺苷浓度的变化。

  借助这种技术手段,徐敏团队的研究人员针对小鼠的基底前脑区(basal forebrain,简称BF区)——大脑中调控睡眠/觉醒的关键部位,观察了胞外腺苷浓度的变化。他们发现基底前脑区的腺苷浓度在清醒状态时较高,在非快速眼动睡眠时较低,这与之前采用微透析法测量腺苷浓度变化的研究结果相一致。

  然而,小鼠的快速眼动睡眠时长较短,传统的微透析检测方法每10分钟才能测一下腺苷浓度,无法对快速眼动期睡眠时期的腺苷浓度进行精确测量。得益于新型的腺苷探针的高时间分辨率,科学家们可以看到小鼠在快速眼动睡眠期每0.1秒之内发生的快速变化。他们首次发现,腺苷在快速眼动睡眠时期也存在很高的浓度,并且高于清醒和非快速眼动期。不仅如此,他们还观察到,腺苷浓度在睡眠不同时期的转变时存在快速的变化,这意味着神经元活动与腺苷浓度密切相关。

  为进一步探究腺苷浓度增加与神经元活动的关系,徐敏团队进一步利用钙成像和光遗传学等技术,在小鼠的基底前脑区找到了负责调控腺苷释放的两类神经元:乙酰胆碱能神经元和谷氨酸能神经元,其中谷氨酸能神经元的活动是引起胞外腺苷积累的主要原因。

  那么,如果让这些谷氨酸能神经元不起作用,减少腺苷的积累,可以减少困意吗?为了检验这种猜测,研究人员设法损毁了小鼠基底前脑区的谷氨酸能神经元。他们发现,小鼠睡眠压力显著降低,清醒的时间显著增加,并且睡眠稳态也发生了改变——睡眠剥夺后睡眠时长的增加显著低于对照组小鼠,并且睡眠压力的清除速率显著快于对照组小鼠。相比对照组,这些小鼠全天可以少睡20%的时间,整个晚上(对它们来说相当于人类的白天)几乎完全不犯困。

  综合这些结果,研究人员指出,在长时间清醒而积累困意的过程中,大脑基底前脑区的谷氨酸能神经元,扮演了重要的角色。这些神经元既维持和促进了觉醒,又通过刺激腺苷释放导致了困意增加,从而形成从觉醒到睡眠的转换。


制造神人?


  尽管在目前,研究人员仅仅采用了有创伤性的干预方式来调控睡眠,但这组神经元提供了一个潜在靶点,未来或许可以用于治疗睡眠相关问题。

  “我们希望通过理解大脑调控睡眠的神经机理,最终为临床上睡眠相关疾病的治疗提供理论基础。”中科院脑智卓越中心徐敏研究员特别指出,研究使用小鼠作为动物模型,不能忽略人和小鼠之间可能存在物种差异。“睡眠调控的神经机制非常复杂,我们计划在目前研究的基础上,进一步确定上述调控机制的普适性,最终揭开‘我们为什么需要睡眠’这一睡眠领域终极问题的答案。”

  也许在不远的将来,科学家们基于这个发现,能开发出一种新的药物或简便的干预方式,让我们能够更灵活地调节自己的睡眠时间,并避免犯困造成的危险。这一点,像极了尤瓦尔·赫拉利在《未来简史》中对人类未来的描述。通过基因改造与人工智能,一个人或者机器人,轻轻松松就可以具备原本需要几十年积累的知识与智慧,并拥有“神力”参与实践。

  如果能够从漫长一生中三分之一的睡眠时间中抠出20%的清醒时间,你愿意吗?对于想要多出一些时间的人来说,肯定是一个福音吧。(记者 陈冰)

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