睡眠剝奪和海馬依賴性記憶☆

苗素云倪麗艷王利唐吉友

·綜述·

睡眠剝奪和海馬依賴性記憶☆

苗素云*倪麗艷△王利※唐吉友◎○☆

睡眠剝奪海馬學(xué)習(xí)記憶食欲素

睡眠剝奪（sleep deprivation，SD）是指由于環(huán)境或自身原因無法滿足正常睡眠的情況，表現(xiàn)為睡眠減少或睡眠中斷（sleep disruption）。SD分為完全性睡眠剝奪（total sleep deprivation，TSD）和選擇性睡眠剝奪（selective sleep deprivation，SSD），后者又分為非快速眼球運(yùn)動(dòng)睡眠剝奪（nonrapid eyemovement sleep deprivation，NREMSD）和快速眼球運(yùn)動(dòng)睡眠剝奪（rapid eye movement sleep deprivation，REMSD）。其對大腦的主要影響之一是認(rèn)知功能損害。學(xué)習(xí)記憶包括復(fù)雜的過程，如信息獲取、編碼、短時(shí)儲存、長期鞏固及記憶的提取等，其中每個(gè)過程受損都可導(dǎo)致記憶損害。海馬結(jié)構(gòu)包括海馬、齒狀回（dentate gyrus，DG）、下托、前下托和內(nèi)嗅皮層，是邊緣-認(rèn)知系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，接受各個(gè)皮層來源的感覺信息，其基本作用是將獲得的信息進(jìn)行編碼、短時(shí)儲存，在認(rèn)知功能中起重要作用。研究證實(shí)，睡眠對海馬依賴性記憶（hippocampus-dependentmemory）形成是必不可少的，長期SD或睡眠中斷不僅能降低海馬的活性，而且也能抑制海馬神經(jīng)元再生，導(dǎo)致記憶功能減退[1]。本文將回顧文獻(xiàn)，探討海馬是對睡眠缺失特別敏感的腦區(qū)，海馬可塑性改變是SD誘導(dǎo)學(xué)習(xí)記憶損害的主要機(jī)制之一。

1 睡眠剝奪和海馬依賴性記憶損害

1.1 學(xué)習(xí)前睡眠剝奪損害記憶形成動(dòng)物研究表明[2]，學(xué)習(xí)之前SD會損害記憶的獲取和編碼過程。通常研究海馬依賴性行為模式的動(dòng)物模型是巴普洛夫恐懼條件反射。在學(xué)習(xí)記憶前采用小平臺水環(huán)境法對大鼠進(jìn)行SD 72 h，然后將足底電擊和聲音信號關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)SD顯著影響恐懼記憶任務(wù)，SD的大鼠對聲音信號表現(xiàn)出的凍結(jié)行為時(shí)間比沒有SD的大鼠下降88％，表明學(xué)習(xí)前SD損害海馬依賴性記憶能力。

為評估SD對健康人新情景記憶形成的影響，學(xué)習(xí)前對志愿者進(jìn)行SD 24 h，然后應(yīng)用功能磁共振（functional MRI，fMRI）結(jié)合圖像識別測試進(jìn)行研究，結(jié)果顯示在情景記憶編碼期間海馬功能顯著減退，圖像識別水平下降19％[3]。在記憶編碼期間海馬區(qū)域激活減少，表明學(xué)習(xí)前SD可能會影響海馬功能和記憶編碼，引起學(xué)習(xí)記憶功能減退。

1.2 學(xué)習(xí)后睡眠剝奪損害記憶鞏固研究海馬依賴性空間任務(wù)學(xué)習(xí)的常用動(dòng)物模型是Morris水迷宮。SMITH等[4]最早用水迷宮研究睡眠在學(xué)習(xí)和記憶形成中的作用，左海馬依賴性任務(wù)模式訓(xùn)練4 d后將大鼠分組，一組立刻進(jìn)行SD 12 h，另一組12 h后再進(jìn)行相同時(shí)間的SD，另設(shè)一組沒有SD的大鼠，結(jié)果顯示，第一組大鼠學(xué)習(xí)尋找平臺的過程更緩慢。這提示SD特別損害需要海馬參與的記憶鞏固過程。

為研究慢性睡眠限制（sleep restriction，SR）對青少年記憶鞏固的影響，對506名青少年進(jìn)行1周的SR，每晚給予5 h睡眠，SR前要求被試記住一段散文，其中一半的內(nèi)容要求重點(diǎn)記憶，在SR前、SR后及SR 6周后進(jìn)行自由回憶測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)正常睡眠組（每晚9 h睡眠）在3個(gè)時(shí)間點(diǎn)重點(diǎn)內(nèi)容記憶優(yōu)于非重點(diǎn)內(nèi)容記憶，而SR組在SR后及SR 6周后2個(gè)時(shí)間點(diǎn)重點(diǎn)內(nèi)容記憶受到影響[5]。該研究提示慢性SR可能減弱陳述性記憶鞏固的優(yōu)先次序優(yōu)勢。

2 睡眠剝奪損害學(xué)習(xí)記憶的機(jī)制

2.1 睡眠剝奪損害長時(shí)程增強(qiáng)學(xué)習(xí)記憶的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)是海馬神經(jīng)系統(tǒng)的突觸可塑性（synaptic plasticity），長時(shí)程增強(qiáng)（long-term potentiation，LTP）和長時(shí)程抑制（longterm drepression，LTD）是突觸可塑性的主要表現(xiàn)形式，是哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)貯存信息的主要機(jī)制。越來越多的證據(jù)表明，睡眠可以促進(jìn)突觸可塑性形成，而SD對海馬突觸可塑性產(chǎn)生不利影響[6]。

研究發(fā)現(xiàn)SD不利于海馬的LTP誘導(dǎo)，并降低LTP水平[6-7]。ZAGAAR等[6]采用改良多平臺法對大鼠進(jìn)行急性SD 24 h處理，然后將大鼠麻醉，在DG區(qū)誘發(fā)晚期LTP（late phase long-term potentiation，L-LTP），在DG區(qū)記錄細(xì)胞外電位。雖然這個(gè)刺激程序在對照組大鼠能正常誘導(dǎo)出LTP，但SD組大鼠L-LTP的感應(yīng)現(xiàn)象被抑制。

MARKS等[7]對大鼠進(jìn)行不同時(shí)間段的REMSD，然后在體觀察大鼠DG區(qū)顆粒細(xì)胞LTP變化。REMSD 3 h、6 h以及9 h后，LTP隨剝奪時(shí)間增長而呈“時(shí)間”依賴性降低。3 h SD使LTP從38.7％降至7.6％，6 h SD使LTP降至1.5％，而9 h SD組徹底測不到LTP。這些結(jié)果表明，即使3 h的短暫SD也能導(dǎo)致突觸可塑性變化。

也有少數(shù)關(guān)于SD對其他類型海馬突觸可塑性LTD影響的研究，發(fā)現(xiàn)與SD抑制LTP的效果相反，SD可能提高LTD，也可能對LTD沒有影響[8]。對大鼠進(jìn)行12 h SD后，用低頻強(qiáng)直刺激海馬的CA1區(qū)神經(jīng)元誘發(fā)LTD，發(fā)現(xiàn)SD引起海馬CA1區(qū)LTD興奮性突觸后電位顯著升高，而增高的LTD能引起記憶獲取和鞏固的并行下降[9]。

2.2 睡眠剝奪改變谷氨酸受體表達(dá)和功能SD能引起谷氨酸受體在海馬表達(dá)減少以及功能降低。參與LTP和LTD形成的谷氨酸受體家族之一是離子通道型受體家族，其中包括N-甲基-D-天冬氨酸受體（NMDA受體）和a-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體（AMPA受體）。SD降低細(xì)胞內(nèi)Ca2+內(nèi)流，導(dǎo)致NMDA受體亞單位組成以及表面表達(dá)的改變，從而影響受體激活[10]。對大鼠進(jìn)行72 h SD并進(jìn)行神經(jīng)電生理研究發(fā)現(xiàn)，在CA1細(xì)胞遠(yuǎn)端樹突記錄到的NMDA受體介導(dǎo)的電流振幅下降；全細(xì)胞記錄還發(fā)現(xiàn)，CA1區(qū)的錐體細(xì)胞對于謝弗側(cè)枝（schaffer collateral）刺激出現(xiàn)NMDA/AMPA比值下降，而未SD的大鼠NMDA/AMPA比值正常[11]。

SD還能導(dǎo)致NMDA受體體系結(jié)構(gòu)的變化。HAGEWOUD等[12]用溫和刺激法對小鼠進(jìn)行6 h或12 h SD，然后用免疫印跡法評估SD對海馬AMPA受體亞單位蛋白水平和磷酸化的影響，發(fā)現(xiàn)海馬區(qū)AMPA受體磷酸化在GluA1亞單位的S845位點(diǎn)減少，且在12 h SD后與對照組相比有顯著差異。S845位點(diǎn)磷酸化對受體與細(xì)胞膜的結(jié)合非常重要，因此考慮SD可能降低了AMPA受體在膜表面的表達(dá)。

除了谷氨酸受體的表達(dá)和功能改變外，SD還會影響谷氨酸的含量和釋放。魔角旋轉(zhuǎn)質(zhì)子磁共振波譜法是一種定量探測神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)或代謝產(chǎn)物的體外成像技術(shù)，常用來評估不同腦區(qū)的谷氨酸水平。研究發(fā)現(xiàn)大鼠6 h或12 h SD后，海馬和丘腦的谷氨酸水平增高[13]。

2.3 睡眠剝奪改變基因表達(dá)和翻譯過程轉(zhuǎn)錄因子環(huán)磷酸腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白（cAMPresponse element binding protein，CREB）能調(diào)節(jié)神經(jīng)可塑性相關(guān)基因的表達(dá)，通常由環(huán)磷酸腺苷-蛋白激酶A（cyclic adenosinemonophosphateprotein kinase A，cAMP-PKA）信號激活，SD阻礙海馬cAMP-PKA信號通路，從而擾亂認(rèn)知過程[6,14-15]。對嚙齒動(dòng)物的研究表明，72 h REMSD能降低海馬磷酸化CREB（PCREB）水平[15]，而另一項(xiàng)研究則發(fā)現(xiàn)24 h的REMSD就能使海馬DG區(qū)總CREB及P-CREB表達(dá)減少[18]。SD干擾執(zhí)行記憶編碼和鞏固的主要分子機(jī)制，尤其在cAMP-PKA信號通路的基因轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生紊亂。

腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）是神經(jīng)再生、神經(jīng)元存活和突觸可塑性的重要啟動(dòng)子，其表達(dá)是在CREB的控制之下。對大鼠進(jìn)行24 h SD，發(fā)現(xiàn)海馬DG區(qū)出現(xiàn)L-LTP抑制，BDNF降低，與之平行的P-CREB表達(dá)也降低[6]。而服用咖啡因4周能防止SD誘導(dǎo)的總CREB、P-CREB及鈣調(diào)蛋白激酶Ⅳ（calmodulin kinaseⅣ，CaMKⅣ）和BDNF減少，并阻止LTP的損害[14]。

VECSEY等[16]測試5 h SD對小鼠海馬基因表達(dá)的影響，發(fā)現(xiàn)533個(gè)基因表達(dá)出現(xiàn)變化。哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是參與記憶鞏固過程的蛋白質(zhì)合成調(diào)整基因，5 h的SD導(dǎo)致總mTOR以及磷酸化mTOR水平降低，而睡眠恢復(fù)后2.5 h，mTOR回到基礎(chǔ)水平[16]；海馬的突觸可塑性也在相同的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常[17]。

2.4 慢性睡眠剝奪損害海馬的神經(jīng)發(fā)生神經(jīng)發(fā)生包括細(xì)胞增殖、分化、成熟、遷移、存活以及新生細(xì)胞的功能整合到現(xiàn)有海馬網(wǎng)絡(luò)。這些新生神經(jīng)元有助于海馬功能發(fā)揮，并且在學(xué)習(xí)和記憶形成中發(fā)揮作用。對嚙齒類動(dòng)物的研究表明，短期SD（＜1 d）可以促進(jìn)海馬DG區(qū)神經(jīng)發(fā)生[18]，而長期睡眠不足或睡眠中斷（＞2 d）最終降低海馬細(xì)胞增殖和新生神經(jīng)元形成[1]。

對于慢性SD，文獻(xiàn)研究一致表明新生細(xì)胞的增殖和存活受到抑制。GUZMA′N-MARI′N等[19]最早報(bào)道96 h TSD后大鼠海馬DG區(qū)細(xì)胞增殖受到抑制。通過間歇性跑步機(jī)強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)法對大鼠實(shí)施4 d的TSD，然后用5-溴脫氧尿嘧啶核苷（5-bromo-2’-deoxyuridine，BrdU）標(biāo)記大腦切片的新生細(xì)胞，結(jié)果表明，SD組大鼠（運(yùn)動(dòng)3 s/停止12 s）海馬DG區(qū)BrdU陽性細(xì)胞數(shù)與環(huán)境對照組（運(yùn)動(dòng)15min/停止60min）相比下降54％，與無SD組相比下降68％[19]。最近的研究應(yīng)用不同SD方法和持續(xù)時(shí)間，證實(shí)48 h SD后海馬DG區(qū)細(xì)胞增殖減少，新生細(xì)胞存活降低以及分化成熟神經(jīng)元減少[1]。

2.5 睡眠剝奪改變食欲素系統(tǒng)食欲素（Orexin）是下丘腦神經(jīng)元產(chǎn)生的興奮性神經(jīng)肽，有兩種亞型：Orexin-A和B，又稱為Hypocretin 1和2（Hcrt1和2），分別激活兩種G蛋白偶聯(lián)細(xì)胞表面受體Orexin 1受體（OX1R）和Orexin 2受體（OX2R）。其中Gq蛋白/磷脂酶C/蛋白激酶C（Gq/PLC/ PKC）是Orexin-A的關(guān)鍵信號通路，可通過調(diào)控細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2（extracellular regulated protein kinases 1/2，ERK1/2）的激活促進(jìn)細(xì)胞增殖而參與學(xué)習(xí)記憶[20]。然而，Orexin神經(jīng)元對SD高度敏感，睡眠剝奪能增加Orexin的合成、釋放和受體表達(dá)[21]。對大鼠進(jìn)行96 h REMSD，發(fā)現(xiàn)藍(lán)斑核、下丘腦及大腦皮層中Orexin水平增高，而恢復(fù)睡眠3 d后降至正常。臨床研究也發(fā)現(xiàn)原發(fā)性失眠患者血漿中Orexin-A水平升高[22-23]。REMSD誘導(dǎo)的Orexin-A過度表達(dá)可導(dǎo)致大鼠雙側(cè)海馬神經(jīng)元損害，給予OX1R或OX2R拮抗劑能減輕SD的不利影響[24]；AOU等[25]發(fā)現(xiàn)給予1 nmol/L和10 nmol/LOrexin-A時(shí)，大鼠在水迷宮任務(wù)中均表現(xiàn)出空間學(xué)習(xí)和記憶能力減退。海馬切片的謝弗側(cè)枝-CA1電生理結(jié)果顯示，1～30 nmol/L（1 nmol/L、3 nmol/L、10 nmol/L和30 nmol/L）Orexin-A于腦室注射，可產(chǎn)生劑量依賴性和時(shí)間依賴性LTP抑制[25]。原發(fā)性失眠患者中，伴有記憶減退患者的Orexin-A水平明顯高于不伴有記憶減退患者[22]。上述研究提示SD可能通過提高腦內(nèi)Orexin-A水平，引起海馬神經(jīng)細(xì)胞損害，導(dǎo)致學(xué)習(xí)記憶功能減退。

3 展望

隨著人們生活節(jié)奏加快、社會競爭壓力的增大、不健康的生活方式以及特殊職業(yè)增加等，SD現(xiàn)象已非常普遍，這勢必會影響人們的身體健康和正常生活。若長期處于SD狀態(tài)，可引起人或動(dòng)物思維紊亂、學(xué)習(xí)記憶受損。面對SD和由此引起的記憶損害，盡管有如此多的發(fā)生機(jī)制，但目前有效的解決辦法卻極為有限。有研究報(bào)道，咖啡因能預(yù)防SD誘導(dǎo)的海馬依賴性記憶損害[14]，但是該藥物干預(yù)SD與記憶損害之間的作用靶點(diǎn)不明確，而且能干擾睡眠結(jié)構(gòu)，長期應(yīng)用會引起睡眠紊亂，反而加重記憶損害。因此進(jìn)一步探討海馬與學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的分子與細(xì)胞機(jī)制和特異性靶點(diǎn)，對開發(fā)有效藥物治療SD伴隨的學(xué)習(xí)記憶功能損害具有重要臨床意義。

SD誘導(dǎo)內(nèi)源性O(shè)rexin-A高表達(dá)，引起海馬神經(jīng)元損傷，造成正常海馬功能損害，這將成為睡眠剝奪影響學(xué)習(xí)記憶的主要分子與細(xì)胞機(jī)制。通過特異性阻斷和調(diào)控這一信號通路上的某一靶點(diǎn)，既能改善睡眠，又能逆轉(zhuǎn)SD所致的學(xué)習(xí)記憶損害。因此，對Orexin及其受體參與睡眠—覺醒和學(xué)習(xí)記憶機(jī)制的研究，對尋找新靶點(diǎn)防治睡眠障礙及其所造成的學(xué)習(xí)記憶損害，具有重要的臨床意義。

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R740（

2016-10-09）

A（責(zé)任編輯：肖雅妮）

10.3969/j.issn.1002-0152.2017.04.014

☆國家自然科學(xué)基金（編號：81471345）

*山東省泰安市中心醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科（泰安271000）

△山東省巨野縣人民醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科

※山東省煙臺毓璜頂醫(yī)院中醫(yī)中西醫(yī)結(jié)合科

◎山東省千佛山醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科（濟(jì)南250014）

○☆通信作者（E-mail：tangjiyou@sohu.com）