充足且连续的睡眠不仅能让我们精神饱满地迎来一天的生活，还对健康的方方面面起到促进作用。相反，睡眠质量不佳可能导致免疫力下降、认知衰退、肥胖、心血管疾病等一系列问题。道理虽然简单，但对很多人来说，良好的睡眠却遥不可及。尤其是随着年龄增长，很多人会受到睡眠问题的困扰。其中一个普遍存在的问题是睡眠碎片化——无法一觉睡到天亮，而是在夜间多次短暂地醒来。


我们注意到，临床上早已观察到老龄化过程中睡眠碎片化的现象，并且这一现象在啮齿类动物和果蝇等其他物种中也有报道，但文献中还未查阅到这一现象背后的清晰机制。”斯坦福大学的李世斌博士介绍道。


在一篇发表于《科学》的最新论文（李世斌博士为第一作者）中，斯坦福大学的Luis de Lecea教授领导的研究团队揭开了睡眠碎片化的一个神经机制，并且提出了潜在的治疗思路。


这项研究关注的对象是下丘脑泌素（Hcrt，也称食欲素）神经元。之前的研究已经发现，位于下丘脑外侧区域的Hcrt神经元与觉醒密切相关：这类神经元活跃时，它们能促使睡眠到觉醒状态的转化，并维持觉醒状态。相反，严重的Hcrt神经元的丧失可能导致罕见的I型发作性睡病：患者情绪受到刺激时，即使是在清醒状态下，也可能会不受控制地突然昏倒，进入一种类似睡眠的状态。


基于Hcrt神经元在促进睡眠-觉醒转换以及维持觉醒中的作用，研究团队猜测：老龄化过程中的睡眠碎片化，很可能与这类神经元的活动改变有关。


为了验证这个猜想，研究团队首先对比了不同年龄小鼠的睡眠情况。他们注意到，相比于年轻小鼠，年老小鼠出现了睡眠碎片化的现象，这提示在不同物种间，睡眠碎片化可能有着相似的保守神经机制。而在对小鼠的进一步研究过程中，两条看似相悖的线索出现了。


一方面，在体钙成像的结果显示，年老小鼠的Hcrt神经元活动频率更高，它们更容易从睡眠进入觉醒状态，睡眠持续的平均时长更短。另一方面，在体光遗传学研究显示，尽管年老小鼠表达光敏通道（ChR2）的Hcrt神经元数量更少，但老年小鼠的Hcrt神经元被激活后，觉醒状态的持续时间比年轻小鼠更长。


此外，小鼠全脑切片实验对Hcrt神经元进行定量分析显示，年老组多达38%的Hcrt神经元丢失了。


要知道，Hcrt神经元的作用是促进从睡眠状态中觉醒，那么随着神经元数量减少，睡眠状态应该更持久、稳定才对。然而，实际观测情况却恰恰相反。是什么机制，让年老小鼠用更少的Hcrt神经元，导致了更多的觉醒次数呢？


借助离体电生理实验，研究团队在细胞层面找到了答案。年老小鼠的Hcrt神经元静息电位更高，或者说更接近放电的阈值。因此，稍加刺激，这些神经元就会进入放电状态；相比之下，年轻小鼠的Hcrt神经元需要更强的刺激，才会进入兴奋状态、开始放电。


因此，在老龄化过程中，Hcrt神经元转变为超兴奋状态，正是这样的变化导致年老小鼠更容易从睡眠状态中觉醒。那么，又是什么原因导致了年老Hcrt神经元的高兴奋性呢？


在神经元动作电位的复极化及维持神经元静息状态的过程中，电压门控钾离子通道（KCNQs）扮演着关键角色。这类通道可以将带正电的钾离子从细胞内泵到胞外，从而增大细胞膜内外的电位差，神经元因此更容易保持静息状态。


李世斌博士表示：“因此我们在想，或许在衰老过程中，由于氧化或其他因素，钾离子通道的表达量下降，从而导致年老Hcrt神经元的膜电位去极化，因而更容易被激活。”


基于这样的考虑，研究团队对这类通道进行了分析。在年老小鼠中，KCNQ2/3介导的电流更弱；同时，高分辨率成像显示，它们Hcrt神经元中KCNQ2的表达密度更低。这些结果说明，KCNQ2/3通道介导的复极化电流下调导致年老Hcrt神经元具有高兴奋性，进而引起睡眠碎片化。


随后，研究团队利用基因编辑工具验证了这个结果：他们破坏了年轻小鼠中的Kcnq2/3基因，这时它们会出现与年老小鼠类似的睡眠碎片化。


基于上述神经机制，研究人员使用药理学方法增强KCNQ2/3介导的复极化电流。KCNQ2/3的激动剂氟吡汀（Flupirtine）使得年老Hcrt神经元的静息电位更加极化、动作电位发放频率降低，也使得年老小鼠睡眠状态也更加稳定。这项实验说明，通过药理学方法增强KCNQ2/3所介导的复极化电流，有望为那些遭受低睡眠质量困扰的人找到新的治疗方案。


值得一提的是，氟吡汀曾被欧盟批准作为非鸦片类镇痛剂，而这种药的副作用之一就是嗜睡。由于发现具有肝脏毒性，氟吡汀的上市许可此后被撤销。如果能寻找到毒副作用更小的全新的KCNQ2/3激动剂，未来我们可以期待沿着这一思路开发出改善睡眠质量的新药。


对于这项研究，李世斌博士点评道：“这项研究最重要的一点在于，我们找到了老龄化过程中出现睡眠碎片化的一个机制。当然，这可能不是全部机制，但鉴于这个清晰的机制，或许可以对症下药、有针对性地开发相关疗法。”


目前，对于睡眠碎片化的人群——无论是年轻人还是年老的病人，医生往往会不加区分地使用促睡眠药物。但实际上，对于不同人群，导致睡眠问题的机制可能是不同的。在这项研究的基础上，未来对于老年人睡眠障碍的治疗，有望迎来全新的思路。


参考资料：


[1] Shi-Bin Li et al。， Hyperexcitable arousal circuits drive sleep instability during aging。 Science （2022） https：//doi.org/10.1126/science.abh3021


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