睡眠生理機制

睡眠生理機制

在神經科學的領域中,其中一部份學者專注於研究腦與睡眠的關係與機制,現階段對於神經傳導物質以及睡眠的理論部分仍都是採用各種假說,目前廣為接受的學說包含了Sleep Switch、Ascending Arousal System等學說以及其提出的機制,這些機制中提出若干種神經傳導物質以及神經核(nuclei)參與了腦的喚醒以及睡眠活動,並且有許多實驗針對這些神經傳導物質實驗以證實這些物質的確會影響到睡眠/喚醒的變化。

1.          Ascending Arousal System

Ascending Arousal System主要指一些存在於腦幹(brainstem)、後下視丘(posterior hypothalamus)中若干神經核投射神經傳導物質至各個大腦皮質,促使大腦保持清醒狀態的機制。整個系統中的重要部位包含Thalamus(下視丘)、LDT/PPT、Raphé Nuclei (DR 中縫核)、Locus Coeruleus (LC 藍斑核)、Tuberomammillary Nucleus (TMN)、Ventral tegmental area(VTA)、VLPO等等,這些部位又分別投射了不同的神經傳導物質,這些神經傳導物質對大腦的喚醒扮演了重要的角色。

 

影響睡眠/喚醒系統的神經傳導物質

胺類:Noradrenaline(NA 去甲腎上腺素)、Serotonin(5-HT 血清素)、Histamine(HIST 組織胺)、Dopamine(DA 多巴胺)

膽鹼類:Acetylcholine(Ach乙醯膽鹼)

 

投射路徑表示圖如下

 

Dopamine Pathway:

 

 

 

Orexin

當大腦清醒的時候,參與喚醒系統的神經傳導物質投射作用較活躍(尤其是NA、HIST、5-HT三種),後來有研究者發現這些部位必須維持運作才能讓大腦保持清醒,而維持喚醒系統運作的物質稱作Orexin(或Hypocretin)。

 

投射Orexin的神經元存在於下視丘外側區(lateral hypothalamic area),在喚醒機制中負責將Orexin物質投射至TMN、LC、DR等部位,這些部位經實驗發現具有Orexin物質的受體,接受這個物質後可維持喚醒系統的運作使大腦維持清醒狀態。Orexin投射路徑如下圖:

 

VLPO  (Ven-Trolateral Preoptic nucleus腹外前視核)

當腦進入NREM睡眠時,喚醒系統的活躍度會降低趨近停止,REM時期投射乙醯膽鹼的部位則會開始活躍。影響喚醒狀態並產生睡眠的部位為VLPO,這個部位會釋放出GABA(γ-Aminobutyric acid)以及Galanin兩種物質,GABA與Galanin在大腦中扮演了抑制神經元運作的角色,VLPO活躍時釋放這兩種物質並投射至喚醒系統的各部位使其停止運作,當喚醒系統被抑制到一定程度,大腦便會從清醒狀態轉換至睡眠狀態(NREM)。

VLPO抑制路徑如下:

 

綜合上述神經傳導物質抑制/促進、互相消長的關係,可整理出一張意示圖如下:

 

由於喚醒與睡眠系統是經由互相消長(拮抗),讓睡眠與清醒就像切換開關一樣並且有一套平衡的機制,因此有學者提出了Sleep Switch的理論。

2.          Sleep Switch

Sleep Switch主要表達的是睡眠/喚醒系統互相抑制以及階段轉換,這些階段轉換時間短,就像正反器(Flip-Flop)一樣,因此這個model也稱作睡眠的Flip-Flop Switch。意示圖如下:

 

整個model包含了喚醒/睡眠促進系統的部位以及神經傳導物質,表示出這些部位與物質之間的抑制/促進關係,並且說明這些狀態在行為上所造成的影響。

階段的轉換必須是在其中一邊活躍(或被抑制)到一定程度後,這個開關才會切換到另外一邊,而且切換過程所需的時間短。即是說一旦達到切換標準,該Switch就會完全偏向另外一邊,不會有停滯中間的情形。這些切換的因素會不斷且穩定地運作,讓兩邊的消長情形達到一個平衡,如果其中某些部份發生病變,將可能導致Switch穩固性降低並使整個機制產生失衡的現象。

例如釋放Orexin的神經元出現問題導致猝睡症,此時Switch會因為失衡而呈現不穩定狀態(睡得快,醒得也快)。

另外,Switch Model會受到更大Scale生理變化的影響,例如Melatonin(褪黑激素,影響晝夜節律的內分泌物質)、睡眠需求累積(疲勞)、藥物等因素都可能影響到Switch的變化以及穩固;當人長期受到這些外在影響,也可能會讓Switch產生失衡,進而造成失眠、嗜睡現象。