睡觉？清醒？大脑内部的调节过程

睡眠和觉醒是我们非常熟悉的两件事，但是很多人不明白大脑是如何让我们从睡眠中醒来以及又是如何让我们睡着，这其中涉及非常复杂的神经机制，而且至今还有许多为解决的问题。1916年，维也纳神经学家Von Economo发现一种新型昏睡性脑炎，这些患者的下丘脑后部和中脑喙部受到损伤，因此非常嗜睡。后续研究又发现，下丘脑前部损伤的人通常伴随失眠症状。由此他推断下丘脑前部有促进睡眠的神经元，而下丘脑-中脑连接处附近有促进清醒的神经元。然而，Von Economo的发现相对粗略，现在的科学家利用现代的技术已经发现更为详细调节睡眠和觉醒的神经结构，我们就看看这些神经结构是如何工作的。

Von Economo 的发现

我们先看看在醒着的时候，大脑是如何工作的。我们醒着的时候与上行激活系统有关，这个系统有两条路线。第一条与丘脑有关，这个区域相当于一个中继站，它能够激活里面的中继神经元，然后把信号发送给大脑皮层。但是什么信号传送给丘脑呢？产生这种信号的地方主要在脑干上部，由脑桥被盖核（PPT）/被盖背外侧核（LDT）负责，在醒着的情况下，这两个核团可以快速激活。它们产生一种胆碱能神经递质，然后传给丘脑，最后到达大脑皮层。

第二天条路径绕过丘脑，从下丘脑外侧、基底前脑穿过，最终到大脑皮层。经过下丘脑外侧、基底前脑的原始信号非常多，主要是一些在脑干上部和下丘脑尾部产生的单胺类神经递质，这些区域包括蓝斑、中缝背核、腹侧被盖区、结节乳头核，产生的物质也很多，有去甲肾上腺素、5-羟色胺、多巴胺、组胺等物质。这些信号经过下丘脑外侧和基底前脑后会被放大，这就像基站一样，要把传播过程中损失的信号救一救，然后再往下发送。所以，你觉得你醒着就是醒着了吗？这个时候大脑不知道在背着你偷偷摸摸干些什么事情。如果你在早上很不情愿的被闹钟吵醒，迷迷糊糊的不想起床，说明你的睡眠系统还在工作，而觉醒系统像你一样也在睡觉。

控制觉醒的两条路径（橘色：第一条滤镜，红色：第二条路径）

除了上面两条控制觉醒的路径以外，在下丘脑外侧还会产生一种叫食欲肽的东西，它会传播到大脑皮层等各个区域。长时间的觉醒需要靠这种物质，研究显示，嗜睡症患者的食欲肽严重受到损伤。如果一直你睡不醒，是不是要考虑一下。。。

说完控制觉醒的大脑结构，现在说一说你是如何睡着的，这个时候你的大脑又在干些什么事。其中一个非常重要的结构叫腹外侧视前核（VLPO），它会给下丘脑和脑干发送抑制性的信号，告诉它：兄弟，睡一会吧，别玩了。同时，它还会给上面说到的觉醒系统发送抑制性信号，同样是让他们休息。因此，VLPO在你睡着的时候非常活跃，它含有一些抑制性的神经递质，如GABA，这个东西的作用就像家长告诉熊孩子该睡觉了，否则要挨揍。所以不要以为睡着的时候整个大脑都在休息，也是有人上夜班的。研究显示，如果VLPO受到损伤，睡眠时间的降低超过50%。Von Economo的患者身上也发现损伤VLPO会导致失眠，但是目前对失眠的病因尚不清楚，所以认为失眠是由VLPO受损导致并不严谨。

VLPO控制睡眠

我们的觉醒和睡眠就是主要由上面这些大脑结构在控制，这两套系统并不是单独工作，它们存在相互抑制的现象，据此，有学者提出触发器模型（flip-flop switch model）。简单说来就是醒着的时候，觉醒系统抑制睡眠系统，此时食欲肽加强觉醒系统的活动，使得觉醒系统对睡眠系统的抑制更加强烈。要睡觉的时候，睡眠系统要报仇，抑制觉醒系统的同时，还抑制食欲肽，因为它是帮凶，必须一块把仇报了。所以就是这样的反反复复，我们的大

脑不断地在调节觉醒和睡眠。

触发器模型（a：觉醒，b：睡眠）

既然是触发器模型，就需要触发的机制，那么是什么触发睡眠，以及我们又如何从睡眠中醒来？Borbely等人提出两个比较有影响的模型，睡眠的自我调节和睡眠的昼夜节律调节。前者认为存在某些结构或物质会随着清醒的时间逐渐积累，到达一定程度后需要睡眠释放。这就像你忙了一天，身心俱疲，睡了一觉后又是满满能量的一天。对于你这种感觉，似乎有研究结论的支持，这里面涉及的一种物质是腺苷酸。随着长时间的觉醒，身体里的能量逐渐消耗，最终会转换成腺苷酸。研究发现随着觉醒时间的延长，大脑中的一些区域腺苷酸含量升高，实验也证实在基底前脑中注射腺苷酸能促进睡眠，另外，腺苷酸还会解除VLPO的抑制。所以，要让自己睡得好，筋疲力尽少不了。

第二个模型是昼夜节律模型，它告诉我们一天要按照24小时的时间生活。你是不是有这个疑问，为什么一天只有24个小时，不能多几个小时让我睡觉吗？真的有研究人员做过这样的实验，他们让参加实验的人过一种每天“28”小时的生活，想想这样的生活都有些激动。奈何实验结果不让你满意，因为实验发现你还是按照24小时的昼夜节律觉醒和睡眠。虽然脑子这么想，但是身体还是很诚实的，我就让你一天有24个小时。这种24昼夜节律与视交叉上核（SCN）有关，它的活动与白天-夜晚的周期一致。然而，SCN并不直接参与睡眠的调节系统，它会把信号发给下丘脑背侧中部等区域，然后进一步发送给与觉醒和睡眠有关的区域。所以，想体验“非24小时”的生活并不容易，还是老老实实的过这种睡不够的生活吧。

参考资料

Saper, C. B., Scammell, T. E., & Lu, J. (2005). Hypothalamic regulation of sleep and circadian rhythms. Nature, 437(7063), 1257-1263.

Scammell, T. E., Arrigoni, E., & Lipton, J. O. (2017). Neural Circuitry of Wakefulness and Sleep. Neuron, 93(4), 747-765.

大脑如何调节我们的睡眠和觉醒？(文字）