睡眠很重要，但是为什么一定要睡觉？(要是可以不睡觉就能一直熬夜玩耍啦……)

在前面的文章中，我们回溯了睡眠与神经系统的关系，并分析了动物神经系统的出现和演化历程以及其工作原理。那么最核心的问题来了：为什么神经系统需要睡眠？这对生物有什么好处呢？

有科学家曾经做过实验，将发育16-18天的小鼠胚胎的脑取出，提取其中的神经细胞，并在体外培养，同时用电极阵列监测每个神经细胞的电活动，发现这些神经细胞各自发出电脉冲，彼此没有关系。

但是随着时间的进行，神经细胞的电活动逐渐变得同步，到培养的第10天时变得完全同步，即使相距很远的神经细胞也以同一步调发出电脉冲，整体电活动呈现高幅低频的电波，频率在0.07-0.2 Hz，非常类似动物在NREM睡眠期的慢波，说明在没有外来刺激的情况下这些神经细胞会自动进入睡眠状态。

正在生长中的小鼠神经细胞（图片来源：Wikipedia）

如果用起唤醒作用的神经递质的混合物刺激这些神经细胞，高幅低频的电波在6小时以后完全消失，出现类似动物清醒状态的低幅高频电波。然而，这种“清醒状态”不能持久，即使刺激神经细胞的那些神经递质仍然存在，但神经细胞在24小时后又会进入类似睡眠状态。

比较这些神经细胞被激发时的基因表达状况，发现它们与动物在清醒状态下脑组织的基因表达状况相似。动物在清醒时表达增加的基因，在培养神经细胞中的表达也增加。一种谷氨酸受体（GluR1）的磷酸化程度也像在动物清醒时脑中谷氨酸受体的磷酸化程度那样增加，但在24小时后又自动回到刺激前的磷酸化程度。

这些结果说明，神经细胞在离体情况下仍然需要睡眠，清醒状态不可长期维持。

神经细胞睡眠可能有三大原因：

一是清醒状态时消耗的资源不能一直得到充分供应，因此需要睡眠来补充，就像打仗时弹药打完了，要补充弹药后才能再次战斗；二是清醒状况下产生的废物不能被及时清除，睡眠就是清除废物的时间；三是在清醒状态下的工作会造成神经细胞本身的损伤和改变，如果不经过睡眠来加以调节和修复其就不能继续工作。

这三种过程，补充物资、清除废物、修复和调整系统，只要有一个出问题，神经细胞（乃至神经系统）的工作都不能持续。经过科学家多年的研究，已经得到许多关于这些必要过程的证据。

1.能量供应

神经活动是通过神经细胞不断发出电脉冲来进行的，而电脉冲的传播需要膜电位的连续翻转，相当于是让细胞膜频繁地“放电”（膜电位消失甚至倒转）和再“充电”（重建膜电位）。由于电脉冲的强度相同，电脉冲传递的信息就由脉冲的频率来表示，越强的信号，电脉冲的频率越高，每个神经细胞每秒钟可以发出数百个电脉冲。

这种高频率的放电和充电会消耗大量能量，这从只占体重2%的大脑消耗人体总消耗能量的20%就能够看出来。人类的大脑只要缺氧几分钟就能够造成不可逆的损害，也说明神经系统对能量有非常高的需求。

神经活动是一个持续放电的过程（图片来源：Wikipedia）

实验表明，动物在清醒状态下ATP的动态水平会由于高强度的使用而降低。如果被剥夺睡眠3小时以上，脑中的ATP水平会进一步降低，说明在需要睡眠的时候不睡，ATP的浓度会降到正常水平以下。

二硝基酚（2,4-dinitrophenol,DNP）能够使线粒体的内膜对氢离子的通透性增加，从而导致跨膜氢离子浓度降低，但这是合成ATP所需的物质，因此会导致ATP的合成减少。这会使得大鼠增加睡眠时间，特别是NREM期的睡眠，说明能量供应不足是神经系统睡眠的一个重要因素。

当神经细胞感受到能量供应不足时，就会进入睡眠状态。ATP消耗以后的产物是AMP，即一磷酸腺苷。细胞内AMP/ATP的比值就是细胞能量状况的一个指标，一旦细胞感受到AMP增加，就会增加ATP合成。这个信息也促使神经细胞进入睡眠状态。在小鼠脑室内注射模拟AMP作用的药物会增强小鼠的慢波睡眠，而拮抗AMP作用的药物则抑制慢波睡眠。

AMP还会被水解为腺苷（adenosine）。腺苷可以通过细胞膜上的核苷转运通道到达细胞外面，结合于其他神经细胞表面的受体（A1R和A2aR），抑制神经细胞的活动，因此腺苷也是在能量不足时，促进睡眠的物质。在大鼠和猫的前脑注入腺苷会使这些动物的睡眠增加。咖啡之所以能够使人保持清醒，是因为咖啡因能够结合到这些受体上，阻断腺苷的作用。

咖啡提神醒脑的原因是咖啡因能结合到神经表面受体，阻断腺苷的作用（图片来源：Wikipedia）

能量短缺导致神经细胞进入睡眠的现象在只有302个神经细胞的线虫中也被观察到。被禁食的线虫睡眠增加，神经系统中进入休眠状态的神经细胞的数量也增加。不过线虫不是通过腺苷来感知能量短缺，而是通过胰岛素信息通路。

食物短缺时动物分泌的胰岛素减少，使得信息通路中Daf-16蛋白（相当于哺乳动物的FOXO蛋白）的活性增加，启动动物对抗逆境的反应，包括睡眠。敲除线虫的Daf-16基因则使食物短缺导致的睡眠增加的效果减弱。

如果神经细胞的能量供应一直不能得到满足，就会“燃烧”自己细胞膜中的脂肪酸以获取能量。

如果剥夺小鼠的睡眠，脑中溶血磷脂（lysophospholipid）的量就会增加。溶血磷脂是磷脂分子中的两条脂肪酸“尾巴”中的一条被磷脂酶释放后形成的，性质与完整的磷脂分子不同，浓度高时会使红血球的细胞膜破裂，引起溶血。这样被释放出来的脂肪酸在提取时多数是与肉碱（carnitine）分子相连的，而肉碱是使脂肪酸进入线粒体，在那里被氧化释放出能量的分子，这说明在睡眠剥夺时，神经细胞的磷脂中的一些脂肪酸是被当作“燃料”去“烧”掉的。

正常的磷脂分子有两条小尾巴（图片来源：Wikipedia）

体外培养的神经细胞在被神经递质刺激而活化后，溶血磷脂的含量也会增加。无论是在睡眠剥夺的小鼠脑中，还是在受刺激活化的培养神经细胞中，分泌到细胞外的磷脂酶Pla2g3和膜上的磷脂酶Pla2g4e都增加，说明清醒时期的能量需求是神经细胞通过“烧”自己的细胞膜来满足的。

只剩一条脂肪酸“尾巴”的磷脂分子在性质上更像脂肪酸，而由脂肪酸在水中的组成的小囊对离子是通透的。溶血磷脂会增加细胞膜的对离子的通透性，相当于是使细胞膜“漏电”，使得细胞欠缺能量的状况更加严重。

在清醒状态下，这种对细胞膜的破坏是无法修复的，因为合成新的脂肪酸需要以葡萄糖为原料，而葡萄糖本身已经供应不足。只有使神经细胞进入睡眠状态，能量需求降低，才能有多余的葡萄糖用来合成脂肪酸，修复细胞膜。

细胞膜是由磷脂分子构成的，一旦磷脂分子中的脂肪酸被消耗，细胞膜将会 “漏电”（图片来源：Wikipedia）

这好像是家里的燃料不够了，只能将房子墙壁里面的木条拿出来烧。这是一种“不得已”的情况，为了维持神经细胞在清醒时的活动竟然采取“自残”措施，证明神经细胞的确不能一直得到充足的能量供应，也是导致动物睡眠的重要机制。

2.神经递质的供应

大部分神经细胞通过化学突触来传递信息，也就是分泌神经递质来将信息传递给其它细胞。而且神经细胞每秒钟可以发出数百个神经脉冲，也就是每秒钟可以分泌出神经递质几百次，比机枪发射的频率（每秒钟5-30发）还快10倍以上，自然要消耗大量的“弹药”。

神经细胞时刻都在向外分泌神经递质（图片来源：Wikipedia）

已经分泌出去，完成信息传递任务的神经递质还必须迅速从突触间隙中被清除掉，以免接收信息的细胞一直被这些分子作用，无法接收新的信息。除了部分神经递质被突触再吸收加以利用外，多数神经递质分子都被销毁了，也就是打出去的“弹药”大部分不能再使用了，必须有源源不绝的“弹药”补充。

肽类神经递质是由氨基酸合成的，许多小分子神经递质有些本身就是氨基酸，或者由氨基酸变化而来。神经递质的大量使用自然会消耗大量的氨基酸。睡眠剥夺会使氨基酸的消耗进一步增加，超出神经细胞的供应能力，因而需要睡眠阶段来进行补充。非氨基酸类神经递质如乙酰胆碱也有类似的补充问题。

3.蛋白质和mRNA的供应问题

神经活动不仅消耗大量的能量和神经递质，也使得与神经活动有关的蛋白质受到损害。

蛋白质分子的三维形状主要是通过离子键和亲脂键来维持的，是一个不稳定的结构，很容易受到外界的影响而改变。与其他分子的结合，自身氨基酸侧链的修饰（例如磷酸化）而带来的电荷变化，都能够改变蛋白质的三维结构。这种变化并不一定是坏事，细胞的信息传递在很大程度上依靠的就是蛋白质分子的这种可逆的形状变化。外界电场的变化也能够对蛋白质分子中的电荷施加有方向性的力，从而改变蛋白质的三维结构。

然而电脉冲带来的剧烈和频繁的电场改变，也会使一些蛋白质分子的形状变化成为不可逆而变性。神经细胞负70mV的膜电位看上去不大，但是如果考虑到细胞膜的厚度只有约 3.5 纳米，电位梯度（单位距离上电压的改变）就相当于 200000 伏/厘米，比传输电流的高压线（约 200000 伏/千米，即2伏/厘米）的电位梯度还要高 10 万倍。

这种高强度的电场改变会加速蛋白质分子的变性，功能永久丧失，成为细胞中的废物，也会对神经细胞造成损害。癫痫就是神经细胞过度兴奋引起的，常常会造成神经细胞的损失。在大鼠中用电刺激或者注射海人藻酸（Kainic acid，一种谷氨酸受体激动剂）人为地引起癫痫会在大脑皮质与海马中引起神经细胞的死亡。

神经系统用两种方式来应付这种情况。

一是增加热休克蛋白的生产。热休克蛋白（heat shock protein，Hsp）能够协助新生的肽链折叠成为正确的三维结构，也能够结合在部分变性的蛋白质分子上，使它们恢复正确的三维结构。它们在体温异常升高时会加速表达，因此被称为热休克蛋白。

小鼠、大鼠和果蝇的实验结果都表明，过长的清醒状态或睡眠剥夺都会增加热休克蛋白的生产。果蝇能够耐受短期的睡眠剥夺而不会有长期的损坏，但是热休克蛋白基因被敲除的果蝇在剥夺睡眠10小时后就会死亡，证明清醒状态下的蛋白质变性是一个严重的问题。

第二种方法是消灭已经无法修复的蛋白质，方式又有两种。

一是与一种叫“泛素”（ubiquitin，因其在各种细胞中广泛表达而得名）的蛋白质相连，连上泛素分子就相当于是给变性蛋白打上“消毁”的标签，被蛋白体（proteosome）识别而被分解。睡眠剥夺会增加与泛素相连的蛋白质分子的数量，也证明长时间的清醒状态会使变性的蛋白质增加。

二是通过神经细胞的“自噬”（autophage）作用，即细胞自己吃自己。细胞内形成由两层膜组成的结构，像一个放了气的皮球从一面被压进去，成为一个碗样的形状。这个“碗”就像一张“嘴”，可以将一部分细胞质，包括里面的蛋白质和细胞器，都“吞”进去，然后碗口封闭，形成小囊，叫做自噬体（autosome），自噬体与溶酶体融合，自噬体里面的蛋白质就在溶酶体中被消化了。自噬体在轴突中广泛存在，轴突活动高时，自噬活动也增加，缺乏自噬体蛋白的小鼠轴突肿大并且降解，说明消灭变性的蛋白质对维持神经细胞的健康是绝对必要的。

自噬作用的流程（A），以及拍摄到的小鼠（B）和果蝇（C）体内的自噬体 （图片来源：Wikipedia）

这些措施虽然有效，但是也不能完全防止蛋白变性和降解，必须加以补充。然而神经细胞在补充损坏的蛋白质时会面临和其他细胞非常不一样的情况。

在非神经细胞中，蛋白质的补充通常不是问题。细胞质和细胞核里面的蛋白质是在细胞质里面的核糖体上合成的，再通过扩散到达目的地。细胞膜上的蛋白质和分泌到细胞外的蛋白质则在内质网中合成，再通过高尔基体发出的小囊运送到细胞膜。在这两种情况下，新合成的蛋白质到达目的地，都只需要移动几十微米的距离，通过扩散就可以达到目的。

但是神经细胞长有树突和轴突。树突可以长达数厘米，轴突更可以长达1米以上。要通过扩散使蛋白分子通过数厘米甚至数十厘米的距离，速度就太慢了。为了解决这个问题，在树突和轴突中都有核糖体和内质网-高尔基体系统，以便就近合成蛋白质。

然而，指导蛋白合成的信息核糖核酸（mRNA）却仍然只能在细胞核中合成，因为大部分mRNA模板的DNA只存在于细胞核内（线粒体DNA除外）。要mRNA分子通过扩散进入树突和轴突是完全不现实的，必须有专门的方式来运输它们，这就是真核细胞特有的一种“轨道运输系统”（另一种轨道运输系统是前面谈过的肌动蛋白-肌球蛋白系统）。

微管蛋白可以聚合成为空管，叫做微管（microtubule），有正端和负端。微管向树突和轴突中生长，正端朝向远端。这些微管就成为运输“货物”的“轨道”。运输货物的“火车头”也是蛋白质，分为两种，其中驱动蛋白（kinesin）可以带着货物向微管的正端行走，把货物从细胞体运输至树突和轴突的远端；动力蛋白（dynein）可以沿着轨道向微管的负端行走，把货物从树突和轴突运输回细胞体。

驱动蛋白和微管结构 （图片来源：Wikipedia）

研究表明，mRNA分子在细胞体中合成后，是通过驱动蛋白中的一种（KIF5）运输到树突和轴突中去的。mRNA分子也不是直接与KIF5蛋白分子相连，而是首先与RNA结合蛋白（例如TDP-43和FUS）相连，RNA结合蛋白再和KIF蛋白相连。不仅如此，和mRNA一起运输的，还有数十种与mRNA功能有关的蛋白质，组成由膜包裹的小囊。

驱动蛋白在微管运动的示意图（图片来源：Wikipedia）

这样的小囊是相对“笨重”的，被运输的速度也比较慢。据测定，在小鼠下丘脑神经元中，mRNA的运输速度最快每秒100 纳米，相当于每小时0.36毫米，即使是10小时的睡眠中mRNA也只能前进3.6毫米。这对大脑皮层的神经细胞也许足够，但是对于有长树突和轴突的神经细胞是远远不够的。神经细胞依靠的，可能还是在树突和轴突生长时就带进去的mRNA，随后的运输只是作为对mRNA消耗的补充，但是树突和轴突的结构还是对mRNA供应的一个严重的制约因素。

清醒状态下的神经活动会产生大量的废物，包括小分子神经递质的降解产物，磷脂中脂肪酸被氧化形成的溶血磷脂，以及已经变性和部分降解的蛋白质。这些废物如果不及时清除，也会对神经系统造成损害。

前类淀粉蛋白质（Amyloid precursor protein, APP）就是这样一种蛋白质，从线虫、果蝇到哺乳动物中都存在。它与突触形成、轴突中货物运输等功能有关。APP敲除的小鼠记忆形成会受影响，因此是神经系统中一个重要的蛋白质。

但是在神经活动中，这个蛋白中36-43个氨基酸长的一部分会被切下来，形成β淀粉样蛋白（amyloid protein-beta，Aβ），因其早期的染色技术误认为淀粉而得名。

Aβ被认为是有生理功能的，但同时又具有朊病毒（prion）的性质，即形成错误的折叠结构后，又能够诱使其他Aβ蛋白变为同样的错误结构，最后在脑中形成不溶性的斑块。这种斑块对神经细胞具有毒性，被认为是引起阿尔兹海默症（Alzheimer’s desease）的原因。一个晚上的睡眠缺失就会使脑中Aβ的量增加，说明Aβ的形成与神经系统的持续活动有关。

另一种叫做微管相关蛋白（tubulin-associated unit），简称tau蛋白。顾名思义，它是与微管的结构有关的蛋白质，在微管的形成和稳定性上发挥重要作用。Tau蛋白参与微管向轴突内运输物资的过程。正常的tau蛋白是磷酸化的，然而其在使用过程中也会被过度磷酸化，形成不溶于水的纤维状物质，使得微管解聚和神经细胞死亡，叫做神经纤维变性（neurofibrillary degeneration）被认为也是阿尔兹海默症的成因之一。

小鼠在清醒状态下脑脊液中的tau蛋白会增加，睡眠剥夺时增加情况更严重。人在失去睡眠后，脑脊液中的tau蛋白也会增加50%左右。

第三个例子是α-突触核蛋白（α-synuclein），它在神经系统中高度表达，与突触释放神经递质有关。在使用过程中这个蛋白也会降解，形成小的片段，这些片段又会凝聚，形成不溶于水的聚合物，与帕金森病（Parkinson’s disease）的形成有关。睡眠剥夺时脑脊液中α-突触核蛋白的量也会增加。

变性和部分降解的蛋白质可以通过前面谈到的蛋白体降解和自噬作用进行清除，但是这些清除方式对在细胞外的废物就无能为力。这些细胞外的蛋白废物和像溶血磷脂这样的脂类分子是不能进入毛细血管而被除掉的。在身体的其他组织内，这些细胞外的废物是通过淋巴系统被清除的，因为毛细淋巴管的通透性比毛细血管高得多，可以让这些废物进入，再经淋巴系统进入血液，在肝脏中被降解。但是在过去的长时期中，人们在脑中找不到淋巴系统，那么脑中这些细胞外的废物又如何被清除？

2013年，类似淋巴功能的系统在脊椎动物的脑中被发现了。在这个系统中，胶质细胞的终足部分包围穿入脑中的动脉和静脉，但又与血管之间留有空隙，叫做血管周围间隙（paravascular space），所以这是一种管套管的结构，内管流血液，外管流别的液体。

脑脊液从动脉周围间隙流入脑部，通过胶质细胞终足上的水通道蛋白（aquaporin，如AQP4），进入神经细胞之间，与原来细胞间的间质液混合，带着细胞间的废物，再从静脉的血管周围间隙流出脑部，进入淋巴系统，废物最后在肝中被分解。在这里脑脊液起到淋巴液的作用，但是又没有经典意义上的淋巴管，所以叫做“脑部类淋巴系统”。因为这个过程要通过胶质细胞终足，因此又被称为“胶质淋巴系统”。

这套系统主要在睡眠时工作，在清醒状态下被抑制。上面说的神经递质的代谢废物，神经活动产生的溶血磷脂，以及Aβ、tau、α-synuclein等蛋白都可以通过这种方式被清除。睡眠障碍者和老年人这套系统的工作减弱，可能是导致阿尔兹海默症和帕金森病的原因之一。

作者：朱钦士