在生命中大概三分之一的時(shí)間里，我們都忙著在睡夢(mèng)里與周公喋喋不休。困了睡覺，醒了起床，這兩件每天都發(fā)生的事情看上去特別自然而簡(jiǎn)單，但對(duì)神經(jīng)生物學(xué)家來說，其中待解的謎團(tuán)卻多不勝數(shù)——我們?yōu)槭裁匆X？又是什么讓我們沉沉睡去，又睜眼醒來？
而最近，羅徹斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的丁鳳菲博士和同事發(fā)現(xiàn)，在控制睡眠-覺醒周期這件事上，一些長(zhǎng)期被忽視的小角色其實(shí)扮演者幕后的“操控者”。他們發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的論文向世人揭示了睡眠世界的一個(gè)關(guān)鍵秘密。
陽(yáng)光，鬧鐘，樓上裝修的沖擊鉆……你或許會(huì)想到它們。這些東西又是怎么將你從睡夢(mèng)中拽起來？
唔，通過大腦，通過讓神經(jīng)元變得活躍？還是……
“覺醒這件事情，通常被認(rèn)為是由一系列神經(jīng)調(diào)節(jié)物質(zhì)——諸如去甲腎上腺素、乙酰膽堿、組胺、多巴胺等等——來介導(dǎo)的?！倍▲P菲對(duì)科學(xué)人說，“這些物質(zhì)能夠改變神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞膜性質(zhì)以及電活動(dòng)情況?！敝暗难芯空哂X得，正是這些神經(jīng)調(diào)節(jié)物質(zhì)通過調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動(dòng)來控制睡眠與覺醒，于是試圖從神經(jīng)元中找出掌控醒與睡的“開關(guān)”。
在這種趨勢(shì)下，甚少研究者會(huì)重視睡眠與覺醒時(shí)大腦發(fā)生的另一種變化——細(xì)胞外的離子濃度。當(dāng)小鼠從沉睡中醒來時(shí)，神經(jīng)細(xì)胞外空間中的鉀離子濃度會(huì)快速躥升，而鈣離子、鎂離子和氫離子濃度會(huì)降低。而在睡眠狀態(tài)下，離子的變化情況則反過來。
覺醒（上）和睡眠（下）狀態(tài)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?yàn)樯窠?jīng)元引起的呀。那么，如果屏蔽了神經(jīng)元的突觸活動(dòng)，同樣的變化還會(huì)發(fā)生嗎？丁鳳菲和同事就此展開了探究?！拔覀兒芎闷嫔窠?jīng)調(diào)節(jié)物質(zhì)是不是也能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞外離子的動(dòng)態(tài)平衡，從而改變動(dòng)物在睡眠或覺醒狀態(tài)下的腦電波形。”她說。
利用不同濃度的神經(jīng)調(diào)節(jié)物質(zhì)，研究者配置出了對(duì)應(yīng)小鼠睡眠與覺醒狀態(tài)的人工腦脊液。他們發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)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(tài)：當(dāng)睡夢(mèng)中的小鼠遇到了“覺醒型”人工腦脊液時(shí)會(huì)讓它們迅速覺醒；而“睡眠型”的人工腦脊液則能夠?qū)⒒畋膩y跳的小鼠強(qiáng)行“催眠”。
他們隨即發(fā)現(xiàn)：與“喚醒”相關(guān)的神經(jīng)遞質(zhì)混合物不但能夠引起鉀離子濃度的上升，而且即使當(dāng)神經(jīng)元的突觸活動(dòng)被人為地用藥物抑制，這種變化依然存在——也就是說，覺醒時(shí)胞外鉀離子濃度的升高，是獨(dú)立于神經(jīng)沖動(dòng)存在的，這種變化不需要看神經(jīng)元的“臉色”。這意味著，大腦其實(shí)可以繞開神經(jīng)元，用更“簡(jiǎn)單”的方式來小鼠的睡眠-覺醒狀態(tài)——僅僅依靠改變神經(jīng)細(xì)胞外的離子濃度。
而值得一提的是，相比于清醒狀態(tài)，小鼠在睡眠時(shí)，大腦中的神經(jīng)元細(xì)胞和支持細(xì)胞體積都會(huì)減小，胞外空間因而擴(kuò)大。到覺醒時(shí)，胞外空間則很快縮小。研究者推測(cè)，這種細(xì)胞體積的變化與細(xì)胞排出廢物的過程有關(guān)。“我們相信這種依賴于睡眠-覺醒狀態(tài)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(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制還不清楚?！?/span>
不過，“通過操縱細(xì)胞外的離子組成，我們的確能夠改變與覺醒和睡眠相對(duì)應(yīng)的典型腦電波形及胞外空間體積?！彼赋觥?/span>從前人們認(rèn)為胞外離子濃度的變化不過是睡眠-覺醒切換的結(jié)果，但現(xiàn)在看來，它們更像是睡眠-覺醒狀態(tài)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(jīng)元上是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的之外，這項(xiàng)出人意料的發(fā)現(xiàn)也為探索睡眠相關(guān)狀態(tài)的研究開拓了新的方向。在此基礎(chǔ)上，“旨在開發(fā)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(xué)人，“不過，在應(yīng)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(huán)境中時(shí)，在神經(jīng)元活動(dòng)之外還會(huì)發(fā)生怎樣的變化?！?nbsp;
神經(jīng)調(diào)節(jié)物質(zhì)是怎樣改變胞外離子濃度的？胞外離子濃度的改變會(huì)不會(huì)對(duì)大腦的其他活動(dòng)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(gòu)成簡(jiǎn)單的“沉睡雞尾酒”安然入夢(mèng)，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）
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