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Science:美国罗彻斯特大学学者揭示睡眠觉醒新机制

摘要 : 2016年4月29日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志在线发表美国罗彻斯特大学转化医学中心的Maiken Nedergarrd教授研究组与华中科技大学同济医院神经科丁凤菲博士研究组合作揭示控制睡眠-觉醒周期的生物学机制的研究成果

2016年4月29日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志在线发表美国罗彻斯特大学转化医学中心的Maiken Nedergarrd教授研究组与华中科技大学同济医院神经科丁凤菲博士研究组合作揭示控制睡眠-觉醒周期的生物学机制的研究成果,论文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。丁凤菲博士为论文共同第一作者,Maiken Nedergarrd教授为论文通讯作者。

本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。当前,科学家们认为,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。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。

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。在此项研究中,科学家们认为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。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。

原文链接:

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

原文摘要:

 

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+]ewhile 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.

来源: Science 浏览次数:0

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