睡眠與覺醒神經(jīng)生物學

關于睡眠與覺醒神經(jīng)生物學高等脊椎動物中普遍存在的一種對環(huán)境沒有反應的,有感知的可逆性行為狀態(tài)，一種生理和行為過程非常復雜的復合狀態(tài)。睡眠對我們的生命與攝食和呼吸一樣重要，人一生約有三分之一的時間處于睡眠,其中四分之一的睡眠時間處于活躍做夢的狀態(tài)。長期剝奪睡眠能毀滅性的破壞機體的正常功能。不同于昏迷:睡眠是生理性的,可循環(huán)的,可逆性的。睡眠定義第2頁,共35頁，2024年2月25日，星期天運動能動性降低；對刺激的反應減小；刻板的姿態(tài)（例：人類的閉眼躺臥）；比較容易逆轉(zhuǎn)；睡眠在行為學上判定標準：第3頁,共35頁，2024年2月25日，星期天腦的電活動:皮層誘發(fā)電位（evokedcorticalpotential）：感覺傳入系統(tǒng)受刺激時，在皮層上某一局限區(qū)域引出的形式較為固定的電位變化．自發(fā)腦電活動（spontaneouselectricactivityofthebrain）：在無明顯刺激情況下，大腦皮層經(jīng)常自發(fā)地產(chǎn)生的節(jié)律性電位變化．第4頁,共35頁，2024年2月25日，星期天皮層誘發(fā)電位基本波形：主反應：先正后負的電位變化．后發(fā)放：一系列正相的周期性電位波動.+第5頁,共35頁，2024年2月25日，星期天腦電圖（electroencephalogram，EEG）概念：

在頭皮上記錄的持續(xù)的、節(jié)律的自發(fā)腦電活動的圖形．第6頁,共35頁，2024年2月25日，星期天腦電波形成的機制皮層表面的電位變化：大量神經(jīng)元同步發(fā)生突觸后電位（EPSP、IPSP）而產(chǎn)生．動作電位是腦內(nèi)唯一可以快速遠距離傳遞的信號,神經(jīng)元相互結合成電網(wǎng)絡，同時也可按某種節(jié)律同步放電,群電活動可以通過表面或深部電極加以記錄第7頁,共35頁，2024年2月25日，星期天腦電波劃分頻率波段定義：單位時間(秒)內(nèi)波的個數(shù)單位:赫茲(Herz,Hz)EEG頻率的分類波:7-13Hz

波:14-30Hz

波:4-7Hz

波:0.5-3Hz第8頁,共35頁，2024年2月25日，星期天種類頻率(Hz)波幅(uV)主導時期Beta14-302-20思維活動Alpha8-1320-60清醒、放松Theta4-720-100兒童的支配頻率，在成人隨困倦和注意而增加Delta0.5-320-200深睡，嬰兒支配頻率頻率與波幅第9頁,共35頁，2024年2月25日，星期天EEG：慢波睡眠（slowwavesleep，SWS）或正相睡眠（orthodoxsleep）快波睡眠（fastwavesleep，F(xiàn)WS）或異相睡眠（paradoxicalsleep，PS）眼動電圖：非快眼動睡眠(Non-rapideyemovementsleep，Non-REM)睡眠一期（stage1）睡眠二期（stage2）睡眠三期（stage3）睡眠四期（stage4）快眼動睡眠(Rapideyemovementsleep，REM)睡眠的兩個時相：第10頁,共35頁，2024年2月25日，星期天從non-REM睡眠的第一期開始,逐步進展(1期、2期、3期、4期)到第四期,該過程可被偶而出現(xiàn)的身體運動及部分覺醒打斷.70-80分鐘后,一般短暫地回到第三期或第二期),由此進入第一個持續(xù)約5-10分鐘的REM睡眠期.人類從non-REM睡眠開始到第一個REM睡眠結束的周期約90-110分鐘睡眠周期循環(huán)：第11頁,共35頁，2024年2月25日，星期天隨著睡眠的進程，non-REM睡眠的時程普遍縮短(特別是3期和4期）REM睡眠延長.一夜的REM睡眠有一半發(fā)生在最后三分之一的睡眠時間.REM睡眠期最長可持續(xù)30--50分鐘.健康成年人睡眠總時間75%為non-REM睡眠

25%為REM睡眠睡眠周期循環(huán)：循環(huán)特點：第12頁,共35頁，2024年2月25日，星期天非快速眼動睡眠表現(xiàn)表現(xiàn)一：在此期間可發(fā)生夢游和夢話，生理激發(fā)減少，此期間分泌生長激素,這即是青春期睡眠很多的原故，75-80%的睡眠時間是non-REMsleep表現(xiàn)二：神經(jīng)活動降低，代謝率及大腦溫度降至最低，交感活動減少,心率、血壓下降，付交感活動增強,并占主導地位（如瞳孔收縮,肌張力及反射完整）——休閑的腦,可動的軀體表現(xiàn)三：腦電波節(jié)率慢,振幅大,提示皮層神經(jīng)元振蕩的同步性較高,大部分感覺輸入不到達皮層，被喚醒后,通?；貞洸黄鹩羞^任何思維活動,或僅回憶起非常模糊的思維，詳細的,有情節(jié)的夢很少出現(xiàn)第13頁,共35頁，2024年2月25日，星期天快眼動睡眠（REMSleep）：表現(xiàn)一：人類REM睡眠90分鐘一個周期,每個REM周期比上個周期要長一些.快速眼球運動出現(xiàn)生動的夢或惡夢，身體是“麻痹的.”——活躍的腦,癱瘓的軀體表現(xiàn)二：腦的氧耗高于清醒狀態(tài)，骨骼肌張力近乎完全喪失，軀體的大部分實際上不能動彈表現(xiàn)三：呼吸肌繼續(xù)工作,但很微弱.眼肌和內(nèi)耳肌則非?；钴S,眼瞼閉合,眼球時而來回運動,予示著生動的夢,在眼動和眼動后被喚醒的人90﹪-95﹪報告做了夢表現(xiàn)四：自主神經(jīng)系統(tǒng)的交感活性占主導地位。心率和呼吸加速,但不規(guī)則,內(nèi)穩(wěn)態(tài)功能減弱,呼吸與血中CO2濃度的關聯(lián)減弱.體溫控制系統(tǒng)基本放棄,深部體溫開始下降第14頁,共35頁，2024年2月25日，星期天非快眼動睡眠和快眼動睡眠生理表現(xiàn)比較非快眼動睡眠快眼動睡眠心率規(guī)則，血壓平穩(wěn)心率不平穩(wěn)呼吸頻率慢而有規(guī)律呼吸頻率不平穩(wěn)呼吸道阻力增加-血液中CO2分壓增加-體溫和腦溫降低主動體溫調(diào)節(jié)功能消失，腦溫升高腦組織血流量、氧耗量、葡萄糖耗量降低腦組織血流量、氧耗量、葡萄糖耗量增加-肢體遠端的肌肉和面部肌肉短暫抽動，肌張力消失性激素分泌高峰，生長激素分泌增加-第15頁,共35頁，2024年2月25日，星期天睡眠和覺醒狀態(tài)的神經(jīng)機制覺醒與睡眠的形成是兩個系統(tǒng)作用:覺醒——非特異上行激活系統(tǒng)睡眠——下丘腦視前區(qū)腹外側部（VLPO）（NREM)；橋腦頭端被蓋外側區(qū)(REM)兩個系統(tǒng)互相作用，互相制約；覺醒與睡眠都是主動過程；第16頁,共35頁，2024年2月25日，星期天上行激活系統(tǒng)：特異性投射系統(tǒng)：特定的感覺（例如軀體感覺）通過三級神經(jīng)元到達皮層，產(chǎn)生某種特定的感覺，特異性傳入系統(tǒng)的功能是引起特定的感覺，并激發(fā)大腦皮層傳出沖動。非特異性投射系統(tǒng)：特異性投射系統(tǒng)第二級神經(jīng)元的纖維在通過腦干時，發(fā)出側支與腦干中的神經(jīng)元發(fā)生聯(lián)系失去了專一的感覺性質(zhì)及定位特征。功能是維持和改變大腦皮層的興奮狀態(tài)，但不能產(chǎn)生特定的感覺。第17頁,共35頁，2024年2月25日，星期天第18頁,共35頁，2024年2月25日，星期天特異性投射系統(tǒng)非特異性投射系統(tǒng)中繼核感覺接替核（主）聯(lián)絡核（次）中縫核群（髓板內(nèi)核群）傳導路徑固有特異無特異換元次數(shù)3-5次5次以上投射特點點對點彌散廣泛（大腦皮層各層）突觸類型軸體型軸樹型功能產(chǎn)生特異性感覺提高大腦皮層興奮性第19頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

第20頁,共35頁，2024年2月25日，星期天上行激活系統(tǒng)被蓋背外側核和腳橋被蓋核氨基能的核團結節(jié)乳頭核腹外側視前核中縫核藍斑核谷氨酸組成的彌散的多突觸通路覺醒有關的神經(jīng)遞質(zhì)：上行激活系統(tǒng)藍斑核膽堿能組成的彌散的多突觸通路腳橋被蓋核中縫核結節(jié)乳頭體核腹外側視前區(qū)丘腦第21頁,共35頁，2024年2月25日，星期天與覺醒有關的神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿多巴胺去甲腎上腺素五羥色胺組胺增食肽非特異上行激活系統(tǒng)廣泛投射大腦皮層覺醒第22頁,共35頁，2024年2月25日，星期天下丘腦外側區(qū)①外側視前核；②視上核；③外側核；④結節(jié)乳頭核；⑤結節(jié)核。下丘腦內(nèi)側區(qū)①內(nèi)側視前核；②下丘腦前核；③交叉上核；④室旁核；⑤背內(nèi)側核；⑤腹內(nèi)側核；⑦弓狀核或稱漏斗核；⑧下丘腦后核；⑨乳頭體包含大的內(nèi)側乳頭體核，中間乳頭體核與外側乳頭體核前部：視前區(qū)（VLPO）視上區(qū)中部：結節(jié)區(qū)后部：乳頭體區(qū)下丘腦是間腦的組成部分，是調(diào)節(jié)內(nèi)臟及內(nèi)分泌活動的中樞。下丘腦自前向后可分三部或4區(qū)第23頁,共35頁，2024年2月25日，星期天腹外側視前區(qū)（VLPO）細胞廣泛地向組成上行激活通路的丘腦和腦干細胞發(fā)送信息。VLPO神經(jīng)元含有神經(jīng)遞質(zhì)促生長激素神經(jīng)肽（Gal）和GABA，它們在人體入睡時會首先被激活。VLPO(GABA,Gal)第24頁,共35頁，2024年2月25日，星期天去甲腎上腺素和5-HT等都能抑制VLPO神經(jīng)元的活性VLPO神經(jīng)元在人體入睡后抑制覺醒神經(jīng),同時反過來也會受到這些細胞的抑制

第25頁,共35頁，2024年2月25日，星期天睡眠調(diào)節(jié)睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié):穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)會在人體覺醒時間過長時不斷積累信號，從而提醒我們該睡覺了；而在睡眠過程中則不斷減少這些信號。晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)：通過睡眠與覺醒閾值的波動來調(diào)節(jié)睡眠與覺醒在晝夜之間的分布。變構調(diào)節(jié)模式：睡眠模式和睡眠的晝夜節(jié)律都會隨著外部條件（比如食物和環(huán)境溫度等）的改變而改變的。同樣，如果外部條件要求動物做出緊急反應，那么睡眠的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)和晝夜節(jié)律性調(diào)節(jié)機制都可以被暫時壓制。第26頁,共35頁，2024年2月25日，星期天我們現(xiàn)在對這種睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的具體作用機制還不清楚，比如VLPO神經(jīng)元系統(tǒng)，它們在人體缺覺時的活性并不會升高，即沒有積累“催促”人體入睡的信號，直至我們?nèi)胨癁橹?。我們?nèi)胨筮@些細胞的活性馬上升高，速度比正常情況下大2倍，說明這些細胞實際上還是受到了睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響。睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)第27頁,共35頁，2024年2月25日，星期天腺苷（Adenosine）被認為是“催促”人體入睡的信號分子。在我們長期不睡覺的時候，大腦里能量供應系統(tǒng)的活性就會下降，人體儲備的糖原也會耗盡，ATP含量隨之降低。ATP會降解成ADP和AMP，最終變成腺苷，于是大腦中細胞外腺苷的水平就會升高。在試驗大鼠腦內(nèi)臨近VLPO細胞的部位注入腺苷或腺苷A2a受體激動劑都會導致實驗動物入睡。睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)促睡眠物質(zhì)積累:第28頁,共35頁，2024年2月25日，星期天前列腺素D2（PGD2）:是目前已知的重要內(nèi)源性促眠物資由前列腺素H2在前列腺素D合成酶的作用下形成，抑制前列腺素D合成酶可以導致睡眠減少PGD2在腦脊液中的濃度呈日節(jié)律變化，與睡眠-覺醒周期一致，并可以隨剝奪睡眠的時間延長而增高PGD2可以通過影響腺苷的釋放而促進睡眠睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)促睡眠物質(zhì)積累:第29頁,共35頁，2024年2月25日，星期天生長激素：增加NREM細胞因子：IL-1，干擾素，腫瘤壞死因子，增加NREM促眠因子：促眠毒素（hypnotoxin):從剝奪睡眠150-293h的狗腦積液中提取的一種內(nèi)源性促眠因子S因子（sfactor)：從剝奪睡眠的山羊腦積液中提取的一種內(nèi)源性促眠因子，注入大鼠，大鼠入眠δ促眠肽（δsleepinducingpeptide):從刺激家兔丘腦髓板內(nèi)核群而致眠的家兔靜脈血中提取，可促進NREM睡眠并使腦電圖出現(xiàn)δ波睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)促睡眠物質(zhì)積累:第30頁,共35頁，2024年2月25日，星期天睡眠遵循晝夜節(jié)律人類睡眠-覺醒周期在完全隔絕光`聲等外界環(huán)境因子的情況下依然存在,只是趨于延長(約25小時),而且其行為狀態(tài)可與其它生理節(jié)律的周期發(fā)生分離(例:睡眠-覺醒周期不斷延長,而直腸溫度仍維持固定的時間節(jié)律)這種自由運轉(zhuǎn)周期(freerunningperiod)的存在,表明睡眠-覺醒節(jié)律是獨立于自然界的晝夜交替而自我維持的,和其它生理節(jié)律之間也是相互獨立的,這些節(jié)律各自受機體內(nèi)部不同振蕩機制的調(diào)控.這些內(nèi)源性的振蕩機制被形象地稱為生物鐘(biologicalclock)正常環(huán)境下,睡眠-覺醒節(jié)律受所謂時間節(jié)拍(Zeitgebers)等外部時間信號的校正,如受太陽光照的明-暗周期調(diào)節(jié),使該節(jié)律適應環(huán)境，和晝夜節(jié)律同步,周期變?yōu)?4小時整.第31頁,共35頁，2024年2月25日，星期天視交叉上核神經(jīng)核團（SCN）是我們大腦中的主控時鐘（masterclock）。SCN細胞具有24小時周期性的活化特征，將這些細胞從大腦中分離出來，該調(diào)控機制同樣有效。動物缺乏SCN細胞，又缺乏外界的時間信息，它們就會