大脑中细微的化学变化可以改变睡眠-觉醒周期

今天发表在杂志上的一项研究科学揭示了控制睡眠-觉醒周期的生物学机制。具体来说，它表明，在浸泡和包围脑细胞的液体中发现的化学物质平衡的简单变化可以改变动物的意识状态。

这项研究的重点是一组存在于脑脊髓液(脑脊液)的研究发现，这些变化不仅在刺激或抑制脑脊液的活动方面起着关键作用神经细胞但它们似乎也会改变细胞体积，导致脑细胞萎缩睡眠这是一种促进废物清除的过程。

Maiken Nedergaard医学博士说:“了解是什么驱动了觉醒，这对于破译睡眠中的意识和缺乏意识至关重要。”他是罗切斯特大学转化神经医学中心的联合主任，也是这项研究的主要作者。“我们发现，从清醒到睡眠的转变伴随着关键细胞外离子浓度和细胞外空间体积的显著而持续的变化。”

目前的科学共识是，大脑是由一组神经递质“唤醒”的，这些神经递质包括乙酰胆碱、下丘脑泌素、组胺、血清素、去甲肾上腺素和多巴胺等化合物，它们源自大脑和脑干深处的结构。这种化学信使的鸡尾酒作用是激活——或唤醒——大脑皮层和大脑中负责记忆、思考和学习的其他部分的一组神经元，使大脑处于清醒状态。

然而，这个模型并不能完全解释大脑是如何快速激活数十亿神经细胞的，这些细胞是保持警觉并开始处理来自外部世界的信息所必需的，也不能完全解释大脑是如何在睡眠时间结束这种活动的。它也不能解释大脑如何在一段时间内保持清醒或睡眠状态。

这项新的研究表明，我们的睡眠-觉醒状态似乎取决于脑脊液中离子的浓度和平衡。事实上，通过改变液体中钾、钙、镁和质子离子的浓度，研究人员观察到，他们可以在缺乏神经递质的情况下操纵小鼠的睡眠-觉醒状态。钾离子在睡眠-觉醒转换过程中波动迅速，因此似乎起着关键作用。

虽然已知脑细胞外离子浓度的这些变化会发生，但正如这项新研究表明的那样，这些变化一直被认为是睡眠-觉醒周期的结果，而不是原因之一。

尼德加德说:“细胞外离子组成的简单改变就能唤醒熟睡的动物并使其入睡，这一事实直接证明了这种机制在调节意识方面起着关键作用。”

因为这些离子带正电荷，当它们在脑脊液和脑细胞之间来回移动时，它们可以改变细胞的电活动，导致细胞极化或去极化。当神经元去极化发生时，细胞变得兴奋、警觉和清醒。

这些发现可能会揭示，当我们从睡眠状态过渡到清醒状态时，大脑是如何在全球范围内快速、同时地完成激活数十亿神经细胞的任务的。它也可能表明大脑是如何通过改变神经细胞的电位来维持一段时间的睡眠或清醒状态的。

研究人员还观察到，化学变化影响了大脑的体积大脑细胞．具体来说，他们发现，当我们睡觉时，大脑中的神经和支持细胞会萎缩，为脑脊液冲洗废物创造更多空间，这是尼德加德和她的同事在2013年首次描述的一个过程。

通过确定这种新的控制机制，研究结果可以指出调节睡眠-觉醒周期的新方法，从而导致新的睡眠药物，并帮助科学家更好地理解长期的意识丧失，例如在昏迷期间。也有人推测，离子组成的变化在长时间的疲劳和记忆受损中起作用清醒在睡眠不足的个体中。