是什麼將你從睡夢中喚醒？

　　S.西爾維希耶 發表於  昨天17:23

　　在生命中大概三分之一的時間裡，我們都忙著在睡夢裡與周公喋喋不休。困了睡覺，醒了起床，這兩件每天都發生的事情看上去特別自然而簡單，但對神經生物學家來說，其中待解的謎團卻多不勝數——我們為什麼要睡覺？又是什麼讓我們沉沉睡去，又睜眼醒來？

　　

　　睡眠和覺醒是包括人類在內許多動物的本能。但在這習以為常的循環往複中，誰在操控著狀態的轉變？圖片來源：CHRIS CLOGG/FLICKR

　　而最近，羅徹斯特大學醫學中心的丁鳳菲博士和同事發現，在控制睡眠-覺醒周期這件事上，一些長期被忽視的小角色其實扮演者幕後的「操控者」。他們發表在《科學》雜誌上的論文向世人揭示了睡眠世界的一個關鍵秘密。

　　是什麼把你叫醒？

　　陽光，鬧鐘，樓上裝修的衝擊鑽……你或許會想到它們。這些東西又是怎麼將你從睡夢中拽起來？

　　唔，通過大腦，通過讓神經元變得活躍？還是……

　　「覺醒這件事情，通常被認為是由一系列神經調節物質——諸如去甲腎上腺素、乙醯膽鹼、組胺、多巴胺等等——來介導的。」丁鳳菲對科學人說，「這些物質能夠改變神經元和神經膠質細胞的細胞膜性質以及電活動情況。」之前的研究者覺得，正是這些神經調節物質通過調節神經元活動來控制睡眠與覺醒，於是試圖從神經元中找出掌控醒與睡的「開關」。

　　在這種趨勢下，甚少研究者會重視睡眠與覺醒時大腦發生的另一種變化——細胞外的離子濃度。當小鼠從沉睡中醒來時，神經細胞外空間中的鉀離子濃度會快速躥升，而鈣離子、鎂離子和氫離子濃度會降低。而在睡眠狀態下，離子的變化情況則反過來。

　　

　　覺醒（上）和睡眠（下）狀態下的胞外離子濃度變化。從左到右依次為鉀離子、鈣離子和鎂離子。圖片來源：sciencenews.org

　　也許有人不以為意：這些變化自然是因為神經元引起的呀。那麼，如果屏蔽了神經元的突觸活動，同樣的變化還會發生嗎？丁鳳菲和同事就此展開了探究。「我們很好奇神經調節物質是不是也能夠調節細胞外離子的動態平衡，從而改變動物在睡眠或覺醒狀態下的腦電波形。」她說。

　　「覺醒雞尾酒」

　　利用不同濃度的神經調節物質，研究者配置出了對應小鼠睡眠與覺醒狀態的人工腦脊液。他們發現，簡單向小鼠的腦部引入這些「睡眠雞尾酒」，就能夠直接改變小鼠的睡眠-覺醒狀態：當睡夢中的小鼠遇到了「覺醒型」人工腦脊液時會讓它們迅速覺醒；而「睡眠型」的人工腦脊液則能夠將活蹦亂跳的小鼠強行「催眠」。

　　他們隨即發現：與「喚醒」相關的神經遞質混合物不但能夠引起鉀離子濃度的上升，而且即使當神經元的突觸活動被人為地用藥物抑制，這種變化依然存在——也就是說，覺醒時胞外鉀離子濃度的升高，是獨立於神經衝動存在的，這種變化不需要看神經元的「臉色」。這意味著，大腦其實可以繞開神經元，用更「簡單」的方式來小鼠的睡眠-覺醒狀態——僅僅依靠改變神經細胞外的離子濃度。

　　

　　神經調節物質和它們引起的胞外離子濃度變化，能夠直接改變小鼠的睡眠-覺醒狀態的腦電波形。圖片來源：DOI: 10.1126/science.aaf8178

　　而值得一提的是，相比於清醒狀態，小鼠在睡眠時，大腦中的神經元細胞和支持細胞體積都會減小，胞外空間因而擴大。到覺醒時，胞外空間則很快縮小。研究者推測，這種細胞體積的變化與細胞排出廢物的過程有關。「我們相信這種依賴於睡眠-覺醒狀態胞外空間變化在維持大腦功能方面有重要作用。」丁鳳菲說，「但具體的狀態轉變機制還不清楚。」

　　不過，「通過操縱細胞外的離子組成，我們的確能夠改變與覺醒和睡眠相對應的典型腦電波形及胞外空間體積。」她指出。從前人們認為胞外離子濃度的變化不過是睡眠-覺醒切換的結果，但現在看來，它們更像是睡眠-覺醒狀態得以切換的原因之一。

　　從離子的視角探究睡眠

　　除了提醒睡眠研究者光把注意力放在神經元上是遠遠不夠的之外，這項出人意料的發現也為探索睡眠相關狀態的研究開拓了新的方向。在此基礎上，「旨在開發新療法來治療失眠、嗜睡以及昏迷的研究將是非常有意義的。」丁鳳菲告訴科學人，「不過，在應用到人類疾病之前，我們還需要做大量的研究。以更好地了解大腦處在不同的離子環境中時，在神經元活動之外還會發生怎樣的變化。」

　　

　　神經調節物質是怎樣改變胞外離子濃度的？胞外離子濃度的改變會不會對大腦的其他活動有所影響？研究者目前確切無法回答這樣的問題。圖片來源：flynewsonline.com

　　也許有一天，飽受失眠困擾的患者也許可以通過構成簡單的「沉睡雞尾酒」安然入夢，而整日嗜睡的人們也能有更好的方法變得精神抖擻。那小小的離子變化中隱藏的秘密，或許將把我們帶入一片前所未見的新疆域。

　　（編輯：Calo）

　　參考文獻：

　　F. Ding, J. ODonnell, Q. Xu, N. Kang, N. Goldman, M. Nedergaard. Changes in the composition of brain interstitial ions control the sleep-wake cycle. Science, 2016; 352 (6285): 550 DOI: 10.1126/science.aad4821