华中科技大学丁凤菲博士Science发表重要成果

　　

生物通报道  发表在4月29日《科学》（Science）杂志上的一项新研究，揭示出了控制睡眠-觉醒周期的生物学机制。具体而言，它证实简单地改变脑脊液中的化学物质平衡就可以改变动物的意识状态。

这项研究将焦点放在了脑脊液中的一些离子上，其发现这些改变不仅在刺激或抑制神经细胞活性中起关键作用，似乎在我们睡觉的时候也改变了细胞体积导致脑细胞缩小，这一过程帮助了清除废物。

领导这一研究的是美国罗彻斯特大学转化神经医学中心联合主任Maiken Nedergaard博士。任职于华中科技大学同济医学院及罗彻斯特大学的丁凤菲（Fengfei Ding）博士和罗彻斯特大学的John O’Donnell是这篇论文的共同第一作者。丁凤菲博士的主要兴趣是研究离子在调控中枢神经系统生理和病理过程中所起的作用。

Nedergaard说：“了解是什么驱动了觉醒对于阐明睡眠时的意识及无意识至关重要。我们发现从觉醒过渡至睡眠伴随着一些重要胞外离子浓度及细胞外间隙体积的显著及持续改变。”

当前的科学共识认为，大脑是被包括乙酰胆碱、下视丘分泌素、组胺、5-羟色胺、去甲肾上腺素和多巴胺等化合物在内的一组神经递质所“唤醒”，这些神经递质源自大脑及脑干深层的结构。这一化学信使鸡尾酒发挥作用，激活了大脑皮层及负责记忆、思考，将大脑置于清醒状态的其他大脑区域中的一组神经元。

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但这一模型不能完全解释大脑是如何快速激活数十亿神经细胞的——这是变得警醒，开始处理来自外部世界信息的必要条件，或者当到了睡眠的时候它是如何降低这一活性的。这一模型也不能解释随着时间的推移大脑维持清醒或睡眠状态的机制。

新研究揭示我们的睡眠-觉醒状态似乎取决于脑脊液中的离子浓度和平衡。事实上，通过改变脑脊液中钾离子、钙离子、镁离子和一些离子的浓度，研究人员观察到他们可以在缺乏神经递质的情况下操控小鼠的睡眠-觉醒状态。特别是钾离子似乎起关键作用，因为在睡眠-觉醒过渡过程中这一离子的水平呈快速地波动。

尽管以往人们就知道脑细胞外的离子浓度会发生这些变化，但他们一直将这些改变视为是睡眠-觉醒周期的结果而非原因。

Nedergaard说：“简单地改变胞外离子组成就可以唤醒沉睡的动物及让清醒的动物睡去，这一事实提供了直接的证据表明，这一机制在调控意识中起关键作用。”

由于这些都是正电荷的离子，当它们在脑脊液与脑细胞之间来回移动时，它们可以改变细胞的电活动，导致它们极化或是去极化。当神经元中发生去极化时，细胞变得易兴奋、警觉和清醒。

这些研究结果可能揭示了，当我们从睡眠过渡至觉醒时，大脑能够快速、同时及整体上激活数十亿神经细胞的机制。它可能还揭示了大脑能够在很长一段时间通过改变神经细胞的电位来维持睡眠或清醒状态的机制。

研究人员还观察到化学改变影响了脑细胞的体积。具体说来，他们发现当我们睡觉的时候大脑中的神经细胞和支持细胞缩小，为脑脊液冲走废物创造了更多的空间。

通过确定这一新的控制机制，研究结果为调控睡眠-觉醒周期，促使开发出新的睡眠药物，及帮助科学家们更好地了解诸如在昏迷过程中长期地丧失意识指出了一些新路径。据推测，离子组成发生改变还对失眠个体长时间清醒状态时的疲倦及记忆力受损发挥了作用。

很多人都有这样的感觉，当自己换了一个环境之后睡觉，无论怎样翻来覆去，就是睡不着，仿佛和床有了“代沟”，这种现象被人们称为“认床”。一直以来科学家们都是从心理学的角度来分析这一问题，那么其分子机制是什么呢？来自布朗大学的一组研究人员最新报道的研究成果有助于解释这种“第一晚效应”，他们发现大脑中的一半脑半球会比其它时候更为活跃。这一研究成果公布在2016年4月21日的Current Biology杂志上（Cell子刊：认床，你知道为什么吗？）。

入睡和醒来，这是每个人在一天当中的关键转换。数百万人在这些转换上遇到了麻烦——他们发现自己在夜间很难入睡，在白天很难保持清醒。尽管经过了数十年的研究，但是，对于大脑科学家们来说，这些转变是如何运作的——我们昼夜节律的神经生物学机制，很大程度上仍然是一个谜。马里兰大学医学院的科学家们，确定了这些过程的一个关键通路的作用方式。相关研究结果发表在2016年4月的Nature Communications杂志上（睡眠和觉醒行为的神经机制得以解析 ）。

果蝇的睡眠习惯与人类非常相似。它们大部分的睡眠是在夜间，某些药物和兴奋剂（如咖啡因）可能会影响它们的睡眠，而且，如果它们的睡眠比较糟糕，甚至可能会影响它们的记忆力。但是，果蝇能告诉我们关于“睡眠不足与代谢疾病（如糖尿病、肥胖）、血糖水平之间的联系”的什么信息吗？根据一项新的研究表明，果蝇的确可以告诉我们很多这方面的信息，这项研究首次发现，一个保守基因——translin，作为睡眠的一个调节因子，可响应代谢变化。这项研究的结果发表在2016年4月4日的Current Biology杂志上（想睡个好觉？可能由基因决定 ）。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Changes in the composition of brain interstitial ions control the sleep-wake cycle

Wakefulness is driven by the widespread release of neuromodulators by the ascending arousal system. Yet, it is unclear how these substances orchestrate state-dependent, global changes in neuronal activity. Here, we show that neuromodulators induce increases in the extracellular K+ concentration ([K+]e) in cortical slices electrically silenced by tetrodotoxin. In vivo, arousal was linked to AMPA receptor–independent elevations of [K+]e concomitant with decreases in [Ca2+]e, [Mg2+]e, [H+]e, and the extracellular volume. Opposite, natural sleep and anesthesia reduced [K+]e while increasing [Ca2+]e, [Mg2+]e, and [H+]e as well as the extracellular volume. Local cortical activity of sleeping mice could be readily converted to the stereotypical electroencephalography pattern of wakefulness by simply imposing a change in the extracellular ion composition. Thus, extracellular ions control the state-dependent patterns of neural activity.