Cell：睡眠和觉醒周期的控制开关

　　

生物通报道：十五年前，一种奇怪的突变果蝇，引起了美国西北大学昼夜节律研究专家Ravi Allada博士的注意和好奇，最近，他带领的神经科学家小组发现了“动物的生物钟如何在早上叫醒它，而在夜间使其入睡”。这项研究结果发表在八月十三日的国际顶级杂志《Cell》。

其实，生物钟的机制很像一个光开关。在一项脑节律神经元（支配着日间睡眠-觉醒周期）的研究中，Allada和他的研究团队发现，在白天，这些神经元中的钠离子通道活性很高，可打开细胞，并最终唤醒动物，在夜间，较高的钾离子通道活性可关闭细胞，使动物进入睡眠。通过进一步调查，研究人员惊奇地发现，在果蝇和小鼠中有着相同的睡眠-觉醒开关。

本文资深作者、Weinberg艺术与科学学院神经生物学教授Allada说：“这表明，我们睡眠-觉醒周期的控制机制是古老的。在几百年的演变中，这种振荡机制似乎是保守的。如果它存在于小鼠身上，它也可能存在于人类中。”

更好地理解这一机制，可能会带来新的药物靶点，以解决时差、轮班工作相关的睡眠-觉醒问题，以及生物钟引发的其他问题。最后，我们就有可能重置一个人的内部时钟，以适应他的情况。延伸阅读：三位科学家发现：重置生物钟或成可能。

研究人员将其称作一种“自行车”机制：两个踏板，在24小时内上上下下，向神经元传递重要的时间信息。研究人员意外地发现，两个踏板——钠离子流和钾离子流，不论在简单的果蝇，还是在更复杂的小鼠当中，都是活跃的。

本文第一作者Matthieu Flourakis说：“令人惊奇的是，在昆虫和哺乳动物中发现的睡眠周期控制机制，是一样的。小鼠是夜间活动的，果蝇是白天活动的，但是它们的睡眠周期是以同样的方式受到控制。”

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当他加入Allada的团队后，Flourakis想知道，果蝇昼夜节律的神经元活动，是否随一天中的时间变化而改变。在神经生物学系Indira M. Raman教授的帮助下，他发现了很强的节律：神经元在早晨更加兴奋，而在晚上却不太活跃。

研究人员接下来想知道这是为什么。他们发现，当钠离子流很高时，神经元更加活跃，使动物觉醒，当钾离子流很高时，神经元安静下来，导致动物处于睡眠状态。钠离子流和钾离子流之间的平衡，控制着动物的昼夜节律。

然后，Flourakis、Allada和他们的同事想知道，这样一个过程是否也存在于更接近人类的动物中。他们研究了小鼠大脑中控制动物昼夜节律的一个小区域——视交叉上核，由20000个神经元组成，并发现了同样的机制。

Allada说：“这项研究花了很长时间，但我们能够把基因组学、遗传学、行为学研究和神经元活动的电测量结合在一起。”他说，当然，现在我们有关于“什么调节着这种睡眠-觉醒途径”的更多问题，所以还需要开展更多的工作。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
A Conserved Bicycle Model for Circadian Clock Control of Membrane Excitability
Summary: Circadian clocks regulate membrane excitability in master pacemaker neurons to control daily rhythms of sleep and wake. Here, we find that two distinctly timed electrical drives collaborate to impose rhythmicity on Drosophila clock neurons. In the morning, a voltage-independent sodium conductance via the NA/NALCN ion channel depolarizes these neurons. This current is driven by the rhythmic expression of NCA localization factor-1, linking the molecular clock to ion channel function. In the evening, basal potassium currents peak to silence clock neurons. Remarkably, daily antiphase cycles of sodium and potassium currents also drive mouse clock neuron rhythms. Thus, we reveal an evolutionarily ancient strategy for the neural mechanisms that govern daily sleep and wake.