1、睡眠与觉醒的睡眠与觉醒的 脑机制脑机制 夜深了夜深了 你会。你会。与狼共舞？与狼共舞？与蝠遨游？与蝠遨游？或者你会。或者你会。请小声。请小声。嘘。嘘。睡睡 觉觉 你可能会这样入睡你可能会这样入睡 你也可能会这样睡着你也可能会这样睡着 当然，你也可能这样。当然，你也可能这样。甚至。这样你也会睡着。这样的话。那你是否思考过：睡眠是什么呢？为什么我们需要睡眠？睡眠又有什么作用？睡眠是怎样的一个机制呢？如果缺乏睡眠，又会怎样？觉醒又是一个什么样的状态，它的机制又是什么呢？第一节第一节 睡眠概论睡眠概论 睡眠的定义睡眠的定义 ：1、机体对环境的反应性降低、与环境相互作用减弱的状态，很容易逆转。2、睡眠是
2、一种在哺乳动物、鸟类和鱼类等生物中普遍存在的自然休息状态，甚至在无脊椎动物，如果蝇中也有这种现象。3、由于脑的功能活动而引起的动物生理性活动低下，给予适当刺激可使之达到完全清醒的状态。4、高等脊椎动物周期性出现的一种自发的和可逆的静息状态，表现为机体对外界刺激的反应性降低和意识的暂时中断。人的一生大约有三分之一的时间在睡眠中度过，其中四分之一的睡眠时间处于活跃做梦的状态。人的一生，睡眠时间有多少呢？人的一生，睡眠时间有多少呢？如果长期剥夺睡眠会如何？情绪变化是最早出现的副作用，如烦躁、欣快和抑郁快速交替出现，对环境缺乏兴趣等；被剥夺睡眠者手脚有刺痛感，对疼痛更加敏感，还会发生眼睛烧灼感、眼睛刺
3、痛、复视和幻觉（睡眠剥夺3天后）等各种视觉障碍；被剥夺睡眠者的思维紊乱，表现为回答问题时词不达意，无法表达完整的意思，对最近发生 的事情健旺，最终可导致精神失常。睡眠为何如此重要？睡眠为何如此重要？目前，没有一种关于睡眠功能的理论被公认，但最合理的理论有两个：恢复理论和适应理论。恢复理论-睡眠是为了休息和恢复，准备再度醒来。雷切斯查芬等人对人和动物做过减少睡眠的系列研究，但未发现支持这一理论的结果。适应理论-为了逃避麻烦，在我们最脆弱的时候躲避天敌，躲避环境中的有害情况，或者节约体能。人类对睡眠的研究历程 人类对睡眠的认识是随着脑电技术的发展而逐渐深入。1875年Caton第一次从家兔和犬脑表
4、面记录到了脑电活动波 1929年Berger从其儿子的头皮上首次记录到了人类的脑电波，并观察到睡眠和觉醒状态下，脑电图有显著不同。1953年美国芝加哥大学生理教研室的Kleitman教授和他的研究生Aserinsky第一次通过脑电、眼电和肌电的记录发现了快速眼动睡眠(rapid eye movement sleep)。从20世纪30年代开始，包括神经生理学、神经解剖学和神经生化学的多学科就开始对睡眠和觉醒基本机制进行研究，使人类对睡眠和觉醒有了一定的认识。在早期的研究中，损伤和刺激是最常用来鉴定神经系统中产生和维持觉醒和睡眠区域的基本方法，神经解剖学运用这些方法对动物睡眠和觉醒机制进行了大量的
5、研究，这些研究对于了解人类睡眠和觉醒机制以及与人类脑损伤相关的睡眠紊乱和昏迷提供了神经解剖基础。神经生理学通过记录脑内神经细胞的电活动，确认可能产生睡眠或觉醒的细胞，明确了一些睡眠-觉醒产生的细胞机制。从20世纪60年代开始，更多的研究聚焦于神经递质在睡眠和觉醒过程中的作用，进一步促进了人类对睡眠和觉醒机制的理解。目前认为睡眠和觉醒是在神经和神经介质共同作用而完成，其本身受昼夜节律、人体生物钟和周围环境的影响和调节。脑电图(Electroencephalogram,EEG)简介 脑电图是通过精密的电子仪器，从头皮上将脑部的自发性生物电位加以放大记录而获得的图形，是通过电极记录下来的脑细胞群的自
6、发性、节律性电活动。常规脑电图、动态脑电图监测、视频脑电图监测。脑电波类型（deltadelta）波波 ：小于：小于4Hz4Hz （thetatheta）波：波：4 48Hz8Hz （alphaalpha）波：）波：8 813Hz13Hz （betabeta）波：）波：大于大于14Hz14Hz 第二节第二节 睡眠时相和周期睡眠时相和周期 睡眠时相睡眠时相 非快速眼动睡眠(non-rapid eye movement sleep,非REM睡眠）快速眼动睡眠(rapid eye movement sleep,REM睡眠）非快速眼动睡眠非快速眼动睡眠(non(non-rapid eye moveme
7、nt sleep,rapid eye movement sleep,非非REMREM睡眠）睡眠）肌张力下降，运动减至最小 脑电波节律慢、振幅大 生理特征体温、能耗；副交感神经系统活动，心率、呼吸、泌尿、消化活动 大部分感觉输入不到达皮层 很少出现梦境 生长激素分泌 “休闲的大脑，可动的躯体”休闲的大脑，可动的躯体”快速眼动睡眠快速眼动睡眠(rapid eye movement sleep,REM(rapid eye movement sleep,REM睡眠）睡眠）脑的氧耗较清醒状态高，肌张力几乎丧失，身体动弹不得 脑电波节律快，眼肌和内耳肌活跃 心率和呼吸加速，但变得不规则 躯体深部体温开始下
8、降 快速眼动，伴随做梦 “活跃的大脑，瘫痪的身体”“活跃的大脑，瘫痪的身体”睡眠周期睡眠周期 睡眠过程，脑反复循环于非REM睡眠相和REM睡眠相两种状态，两者周期性地交替进行，大约90分钟为一个周期。健康成年人睡眠时间=75非REM睡眠时间+25REM睡眠 1期：几分钟，睡眠最浅，节律不规则，并逐渐消失，眼球缓慢转动 2期：5-15分钟，睡眠较深，偶发睡眠梭形波及大幅度的K复合波，眼球几乎停止转动 3期：出现大幅度的、慢速的节律，眼和躯体停止运动 4期：睡眠最深，出现大幅度的小于或等于2Hz的节律，20-40 分钟 非REM睡眠相 睡眠过程中两种时相互相交替 两种睡眠时相均可直接转为觉醒状态
9、睡眠各期的脑波 典型典型a a波波 a a波变得不规则，出现波变得不规则，出现q波，睡眠梭形波波，睡眠梭形波 a a波消失，波消失，q波背景波背景上出现上出现K K复合波复合波 在在q波背景上出现波背景上出现d波波 50%50%以上出现高以上出现高幅幅d波波 第三节 睡眠与觉醒的机制 睡眠与觉醒是中枢特定结构主动活动的结果 大脑皮层的活动状态实际上是由脑深部的少数神经元群控制的。这些神经元就像开关与调谐器，调控着大脑皮层的兴奋性，调控着感觉信息流向大脑皮层的传输。大脑皮层大脑皮层 神经元群神经元群 感觉信息 虽然现有的研究对这些调制系统的工作原理还不完全了解，但可归纳出几条基本原则：1、弥散性
10、调制系统对睡眠和觉醒起最关键的控制作用；2、脑干NE和5-HT能神经元在觉醒期间放电，维持觉醒状态；而Ach能神经元活动则维持快速眼动睡眠；3、弥散性调制系统控制丘脑的节律活动，丘脑又反过来控制着皮层的脑电节律；丘脑缓慢的、与睡眠相关的节律阻断感觉信息输入大脑皮层；4、睡眠还涉及下行调制系统的活动，如在做梦时，脑通过下行调制系统有效的抑制运动神经元。弥散性调制系统(diffuse modulatory system)弥散性调制系统(diffuse modulatory system)存在于中枢神经系统内，由一些相关但释放不同递质的细胞群组成。这些细胞群都能通过它们广泛的轴突分支投射，来扩大它们
11、的空间联系，并通过促代谢型的突触后受体来延长它们的作用。弥散性调制系统的神经细胞通常不传输具体的感觉信息,而是行使调节功能,调制着大量的突触后神经元(比如大脑皮层、丘脑和脊髓)的兴奋性和同步化活动等。一、上行网状激活系统与觉醒 20世纪40年代至50年代，意大利神经生理学家Moruzzi及同事开始研究脑干对觉醒的控制 他们发现：损毁动物脑干网状结构导致类似于非REM睡眠的状态；反之，电刺激脑干网状结构可使皮层从非REM睡眠的慢速、节律性脑电活动转变为更警觉、更唤醒状态，其脑电图与觉醒相似。提示了这一部位的神经元活动是保持觉醒所必须的 Moruzzi将这个刺激区称为“上行网状激活系统”20世纪6
12、0年代以后，研究者采用脑横断法进行的一系列实验表明，脑干在睡眠与觉醒的调节中有重要作用：（1）脑干后端横切脑，动物保持正常的觉醒与睡眠状态（2）脑干中部横切脑，动物几乎都处于觉醒状态，提示脑干网状结构后部控制睡眠（3）脑干以上横切脑后，动物处于永久睡眠状态，提示脑干网状结构前部控制觉醒。一些脑区的神经元在觉醒状态时放电频率增高，其中包括蓝斑（NE神经元）、中缝核群（5-HT能神经元）、基底前脑（Ach能神经元）。这些区域的神经元直接与丘脑、大脑皮层及其他脑区形成突触联系。它们释放递质所导致的总效应是使靶区神经元去极化，兴奋性增高，并抑制节律性的放电，这种效应在丘脑感觉中继神经元表现得尤为明显。
13、二、入睡与非快速眼动睡眠 入睡过程包含一系列进行性的脑活动改变，然后进入非REM睡眠状态 非REM睡眠是如何被启动的，现在还不清楚。但大多数弥散调制性系统的神经元（如蓝斑、中缝核群以及基底前脑的神经元）放电频率普遍降低。尽管基底前脑大部分区域似乎参与维持觉醒和唤醒，但有一组神经元在非REM睡眠期间放电频率增高，而在觉醒状态时沉寂。非REM睡眠早期的脑电活动有睡眠梭形波，由丘脑神经元的固有节律产生。随着非REM睡眠的进展，梭形脑电波消失，代之为缓慢的节律（小于4Hz）。节律也是丘脑神经元活动产生的。梭形波或节律期间神经元活动的同步化是由于丘脑内部及丘脑与皮层之间的交互神经网络的活动导致的。由于丘
14、脑和大脑皮层之间存在强的双向兴奋性联系，丘脑或大脑皮层任何一方的节律性活动都会显著的影响另一方。三、快速眼动睡眠 大脑皮层在REM睡眠期间的活跃程度至少不低于在觉醒时，如视皮层神经元、运动皮层神经元 REM睡眠期间复杂的梦需要大脑皮层的活动，而大脑皮层并非REM睡眠所必须 REM睡眠的神经控制来自脑干深部，特别是位于脑桥的弥散性调制系统 上位脑干的两大系统-蓝斑的NE能系统和中缝核群的5-HT能系统，随着REM睡眠，这两大系统的放电活动几乎降到零 然而，脑桥Ach能系统的神经元放电频率则急剧上升 表明：Ach能系统神经元的活动触发REM睡眠 Ach蓝斑的NE能神经元和中缝核群的5-HT能神经元
15、 REM睡眠的开始与终止 丘脑丘脑脑 脑干脑干 大脑皮层大脑皮层 固有节律固有节律 上行网状激活系统上行网状激活系统 弥散性调制系统神经元弥散性调制系统神经元 NE、5-HT（脑干）（脑干）Ach（基底前脑）（基底前脑）下行调制系统下行调制系统 NE能神经能神经元元 5-HT能神能神经元经元 Ach能神经能神经元元 觉醒觉醒 非非REM睡眠睡眠 REM睡眠睡眠 四、促睡因子 患有流感后，你最想做的事情是什么？瞌睡提示机体对感染的免疫反应和睡眠调控之间可能有直接联系 在睡眠剥夺的动物上，已经鉴定出多种促睡物质，大多数与机体的免疫系统间有相互作用 胞壁酰二肽 20世纪70年代，哈弗大学生理学家Pa
16、ppenheimer在睡眠剥夺的山羊的脑脊液中鉴定出一种能异化非REM睡眠的物质 由细菌的细胞壁生成，有致热效应，激活血液中的免疫细胞 白介素-1 多肽，在脑内由胶质细胞和巨噬细胞合成，可激活免疫系统 促睡物质的作用机理尚不清楚，但它们不太可能是控制睡眠的一线物质。原因是：它们在正常瞌睡（而非睡眠剥夺）的动物脑中并未达到有效浓度。另外，它们倾向于缩短REM睡眠的时间，因而其促睡作用具有相当的选择性。但无论如何，促睡与免疫激活之间的这种联系可能意味着睡眠有助于抵御感染。第四节、快速眼动睡眠和梦 梦是什么？我们又如何解读梦？目前尚无一致的认识，这是由于我们无法直接观察他人的梦，即使是做梦者本人也只有在醒后才能回忆自己所做的梦，而此时梦的内容可能被遗忘或歪曲。梦多数发生在REM睡眠期间，对梦的解释极大地依赖于对REM睡眠而非梦本身的研究，因为REM睡眠可以被客观地测量。我们非做梦不可吗？不知道。但是，机体似乎非常渴求REM睡眠。每当受试者进入REM睡眠状态时将其唤醒，就可以特异性地剥夺REM睡眠 受试者在1-2分钟后再次入睡时，必定先进入非REM睡眠状态。这样，受试者整夜的睡眠都处在比较纯粹