γ-氨基丁酸与睡眠觉醒*

谢晨,刘臻,赵娜,陈云飞,杨文佳

(上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院中心实验室,上海 200437)

γ-氨基丁酸与睡眠觉醒*

谢晨,刘臻,赵娜,陈云飞,杨文佳

(上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院中心实验室,上海 200437)

γ-氨基丁酸(GABA)是一种重要的抑制性神经递质,在睡眠觉醒中占有重要的地位。实验研究发现,在不同的脑区,在睡眠觉醒的不同时期,GABA的水平不同;在不同的脑区,通过对GABA的传导进行干预,发现对睡眠觉醒所起的作用不同。该文综述具体脑区中GABA与睡眠觉醒的关系,旨在为新药研发提供参考。

γ-氨基丁酸;神经递质;睡眠觉醒

睡眠可以恢复体力,有助于记忆,在人生中起到重要作用。失眠能够引起情绪障碍、药物依赖、记忆损害、日间疲劳、工作和人际交往困难,损害健康,甚至可能导致事故的发生[1]。γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)是一种重要的抑制性神经递质,在睡眠中起着重要的作用[2]。作用于GABAA受体的药物在失眠的治疗中得到广泛应用,如常见的苯二氮 类和非苯二氮 类Z-药物(如佐匹克隆、扎来普隆和左旋佐匹克隆),苯二氮 类存在着耐受及依赖性等缺点,而非苯二氮 药物能够改善药物的耐受性,并能够长期应用和应用于不同的人群[3]。但是非苯二氮 类Z-药物也存在一定的不良反应,只适合短期治疗失眠。因此,研究GABA在睡眠觉醒中的作用,对于新药开发有着重要的作用。

由于GABA与睡眠觉醒的关系密切。不同的脑区在睡眠觉醒中起着不同的作用,动物实验研究发现GABA在不同的脑区对睡眠觉醒的作用不同,人类的睡眠觉醒中也发现类似现象。笔者就睡眠觉醒中GABA在不同脑区所起的作用及同一脑区的不同睡眠觉醒阶段的水平(主要集中动物研究)综述如下。

1 睡眠研究重要性及相关神经递质

由于睡眠占了人生的三分之一时间,研究睡眠及睡眠障碍,对于社会发展也起到了重要的作用。特别是随着社会发展,失眠患者越来越多。失眠的发生,不仅造成患者的心理生理双重压力,还造成了巨大的经济损失,据美国2003年统计结果显示:年龄在18～64岁的患者平均每6个月花费924美元,而65岁以上老人每6个月花费1 143美元[4]。中国睡眠研究会公布的调查结果显示,中国成年人失眠发生率38.2%,高于国外发达国家。因此,对睡眠的研究也就显得越加迫切。

KRUEGER等于1999年在JSleep Res杂志发表的《Humoral regulation of physiological sleep:cytokines and GHRH》指出调节睡眠觉醒行为的神经递质所需满足的条件:①大脑中存在该递质及其受体；②外部注入该递质或内源性产生该递质能增加与该递质相关的睡眠时相；③抑制该递质的生成或使其失活,以及拮抗其受体都能减少该递质相关的睡眠时相；④该递质的浓度及代谢率与睡眠觉醒的周期同步变化；⑤该递质水平应该在相应睡眠时相发生之前增加；⑥当该递质及其受体被拮抗时,由于睡眠剥夺、感染、或周围环境温度升高引起的睡眠时相增加也会受到抑制。

睡眠觉醒与很多神经递质密切相关,如乙酰胆碱、谷氨酸、GABA、食欲素、褪黑素、组胺、腺苷等。不同的神经递质在睡眠起着不同的作用,相互联系,互相影响,共同维持着睡眠觉醒。

2 GABA概述

GABA为一种神经递质,在神经元内合成。GABA神经元分布广泛,所有的皮质层均有GABA能神经元的分布,GABA突触的活动大小和持续时间由质膜蛋白即GABA转运蛋白决定[5]。GABA能神经元分布在基底前脑和前下丘脑[6],并在睡眠时这些神经元的放电增加。中脑和后脑也有该神经元的分布[7]。

兴奋性的谷氨酸系统和抑制性的GABA系统是大脑的化学平衡主要组成部分,大脑化学平衡与行为的药理调节,治疗情绪和情感障碍、认知损害等密切相关。谷氨酸脱羧酶是GABA的合成酶,GABA转氨酶是GABA的代谢酶[8]。谷氨酸盐和谷氨酰胺是GABA合成的前体。谷氨酸盐在谷氨酸脱羧酶的作用下生成GABA,而在去极化时新形成的囊泡内的GABA是谷氨酰胺通过三羧酸循环形成的[9]。

GABA通过与受体结合发挥作用。GABA受体被分为3种类型,分别为GABAA、GABAB和GABAC,其中GABAA和GABAC均为离子型受体,而GABAB为代谢型受体,GABAC主要分布于视网膜和上丘的视层[10]。GABAA受体为临床药物的主要作用靶点[8]。GABAB受体的缺失推迟了睡眠时间,减少了非快速动眼睡眠(non-rapid eye movements,NREM)中delta和theta波的活动,增加觉醒时theta波的活动,但不影响睡眠自稳态[11]。在治疗失眠的药物中,大多数是针对GABAA受体,而GABA受体的多样性,使得对具体受体情况的研究尤为重要。

3 GABA与睡眠觉醒

研究GABA在睡眠觉醒中的作用,离不开动物实验。现在绝大数以啮齿类动物和猫为主要的实验对象。啮齿类动物(主要为大鼠和小鼠)和猫的睡眠主要有NREM和快速动眼睡眠(rapid eye movement, REM)两种,NREM睡眠占主要部分,NREM与REM保持一定的比例,比例失衡可能导致睡眠紊乱。

GABA传输系统参与睡眠觉醒的调节。通常通过研究细胞外GABA水平和GABA的传导(即GABA受体的激动剂和拮抗剂)来探讨该神经递质对睡眠觉醒周期的影响,这也是药理学研究的思路。具体研究方法为在颅脑中找到不同核团的分布区,进行显微插管,通过微透析或者显微给药进行GABA的相关研究。

实验研究发现,不同的脑区,内源性GABA水平最高可能出现觉醒,REM或NREM；而GABA的信号传递也因脑区不同而引起觉醒增加或者REM的增加,即在不同脑区给予GABA的拮抗剂或者激动剂引起了不同的睡眠觉醒变化。

3.1 脑桥嘴侧网状核(the oral part of the pontine reticular formation,PnO)和脑桥尾侧网状核(nucleus reticularis pontis caudalis,RPC) 在大鼠的PnO, GABA水平在REM和NREM时降低,觉醒时增高。在该处显微注射增加细胞外GABA水平的药物促进了觉醒,抑制了睡眠,而显微注射降低细胞外GABA水平的药物促进睡眠,抑制觉醒[12]。在大鼠PnO,GABA的传输促进觉醒,抑制睡眠。在该结构食欲素(orexin)-1促进觉醒至少在一定程度上是通过GABA的作用[13]。同时显微注射食欲素-1和GABA受体拮抗剂抑制了食欲素-1增加觉醒抑制睡眠的作用[14]。

在大鼠的脑桥嘴侧网状核(nucleus reticularis pontis oralis,RPO)和RPC显微注射GABAA受体激动剂蝇蕈醇能够抑制REM,而在RPO显微注射GABAA受体拮抗剂荷苞牡丹碱能够促进REM,而RPC对REM的作用很小。说明GABA调节的RPO参与觉醒和REM的产生[15]。而在小鼠的RPO注射GABAA受体激动剂增加了觉醒时间,降低了NREM和REM时间,这种作用呈浓度依赖性；注射GABAA受体拮抗剂降低了觉醒期的数目,增加了NREM和REM的数目,该作用也呈浓度依赖性。同时注射激动剂和拮抗剂阻断了激动剂促进觉醒增加睡眠的作用[16]。

3.2 脑桥网状结构 在猫脑桥网状结构中,内源性即细胞外的GABA水平在觉醒时高于REM睡眠,且在REM睡眠时,GABA的水平降低,引起REM睡眠增加也会引起GABA水平降低,而NREM和觉醒无明显差异。这表明脑桥网状结构的GABA有促进觉醒的产生和抑制REM睡眠的作用[17]。在猫的脑桥网状结构的脑桥吻核(nucleus pontis oralis,NPO)注射GABAA受体的拮抗剂或者抑制GABA合成的酶能够促进REM的产生,于REM或者NREM期在该处注射GABA或者GABAA受体激动剂增加了觉醒时间。GABA与觉醒的产生和维持相关,并作为控制REM的部分机制[18]。

3.3 背缝神经核 猫背缝神经核(the dorsal raphe nucleus,DRN)中内源性GABA水平在REM期高于NREM期和觉醒期。在DRN注射GABAA受体激动剂增加REM睡眠,而注射GABAA受体拮抗剂印防己毒素阻断了REM睡眠[19]。在大鼠的背缝神经核注射GABAA受体拮抗剂,增加觉醒,减少了NREM和REM睡眠[20]。

3.4 蓝斑核 在猫的蓝斑核,GABA释放水平在REM时期高于NREM和觉醒,且在NREM时高于觉醒[21]。在大鼠背侧蓝斑下核注射GABAA受体拮抗剂能明显缩短REM的潜伏期,增加REM的数量[22]。

3.5 脑桥被盖核 在猫的脑桥被盖核(pedunculopontine tegmentum,PPT),阻断GABA的受体,减少REM睡眠,而促进GABA的传输增加了REM睡眠[23]。在大鼠该区域使用GABA拮抗剂减少了REM[24-25]。猫[23]和大鼠[24-25],阻断GABAA受体影响了REM睡眠发作的平均次数,在猫GABAA激动剂增加了REM睡眠的发作次数和发作持续时间,大鼠GABAA激动剂增加了REM睡眠的发作次数。PPT的GABA参与REM睡眠的调节[26]。然而,大脑切除猫PPT的GABA抑制REM睡眠[27]。

3.6 视前区中部-下丘脑前部 于大鼠的视前区中部-下丘脑前部(the medial portion of the preopticoanterior hypothalamus,mPOAH),显微注射GABAA受体拮抗剂,减少睡眠,减少REM睡眠的次数和持续时间,增加觉醒[28]。在后下丘脑,GABA的水平在REM睡眠时降低[29]。

3.7 正中视前核 在猫的正中视前核显微注射GABAA受体激动剂能够减少NREM和REM的时间,而注射GABAA受体拮抗剂能够增加NREM时间,表明该区的GABA在睡眠,尤其是NREM的产生和维持上起着重要的作用[30]。

3.8 其他 通过对大鼠舌下神经运动核注射GABAA受体拮抗剂能够增加NREM和觉醒时的颏舌肌活动,但在REM时无影响[31]。

下丘脑腹外侧视前区与结节乳头体核(TMN)构成睡眠觉醒触发开关,GABA在这个触发开关中起到一定的作用。下丘脑腹外侧视前区神经元表达的GABA能够抑制中枢神经系统的结节乳头体核和脑干的单胺能觉醒系统[3]。离体膜片钳发现,药物的镇静作用可能通过间接促进下丘脑腹外侧视前区上GABA能神经元兴奋实现的[32]。下丘脑腹外侧视前区中神经元中有大量的GABA,大多数睡眠活跃的正中视前核神经元能够合成GABA,在大鼠下丘脑腹外侧视前区域注射外源性GABA能够减少大鼠的活动,起到镇静作用[33]。

发作性睡病患者的大脑内侧前额叶GABA水平升高,尤其是以没有夜间睡眠干扰的患者明显,可能是由于适应机制的作用[34]。没有用药的原发性失眠者脑内GABA水平相比正常人总体下降[35],但是目前尚没有针对具体的大脑区域的GABA水平与原发性失眠关系的研究。因此,对人的不同脑区GABA含量的研究也将成为一个趋势。

猫基底前脑的无名质的GABA水平在NREM时明显高于REM睡眠；在躯体感觉皮层,NREM时GABA的水平明显高于REM和觉醒,随着觉醒时间的延长,GABA水平也随之增高,提示GABA与睡眠的自稳态密切相关[36]。

动物研究大多只是选用非选择性的受体激动剂和拮抗剂,并没有具体选择性的受体激动剂和拮抗剂。具体受体的研究同时加上具体脑区GABA水平变化,从动物实验到临床实验,对于加强药物的靶向性,提高药物的疗效意义重大。随着医学的发展,神经递质之间的相关性研究也是一个方向,GABA与其他神经递质之间是否存在相关性,或者是某个神经网络中的一点,也值得进一步研究,这也将为未来新药研究提供思路。同时,与GABA相关的转运蛋白及、合成酶、代谢酶等与睡眠觉醒的研究也是未来的发展趋势。

[1] BLUESTEIN D,HEALEY A C,RUTLEDGE C M.Acceptability of behavioral treatments for insomnia[J].J Am Board Fam Med,2011,24(3):272-280.

[2] PIGEONW R,CAINE E D.Insomnia and the risk for suicide:Does sleep medicine have interventions that canmake a difference[J].Sleep Med,2010,11(9):816-817.

[3] NUTT D J,STAHL S M.Searching for perfect sleep:the continuing evolution of GABAA receptor modulators as Hypnotics[J].J Psychopharmacol,2010,24(11):1601-1612.

[4] ROSEKIND M R,GREGORY K B.Insomnia risks and costs:health,safety,and quality of life[J].Am JManag Care, 2010,16(8):617-626.

[5] NARITA M,NIIKURA K,NANJO-NIIKURA K,et al.Sleep disturbances in a neuropathic pain-like condition in the mouse are associated with altered GABAergic transmission in the cingulate cortex[J].Pain,2011,152(6):1358-1372.

[6] SIEGEL JM.The neurontrasm itters of sleep[J].J Clin Psychiatry,2004,65(Suppl 16):4-7.

[7] MONTI JM.The role of dorsal raphe nucleus serotonergic and non-serotonergic neurons,and of their receptors,in regulating waking and rapid eye movement(REM)sleep [J].Sleep Med Rev,2010,14(5):319-327.

[8] UUSI-OUKARI M,KORPI E R.Regulation of GABAA receptor subunit expression by pharmacological agents [J].Pharmacol Rev,2010,62(1):97-135.

[9] WAAGEPETERSEN H S,SONNEWALD U,LARSSON O M,et al.Synthesis of vesicular GABA from glutamine involves TCA cyclemetabolism in neocortical neurons[J]. JNeurosci Res,1999,57(3):342-349.

[10] WINSKY-SOMMERER R.Role of GABAA receptors in the physiology and pharmacology of sleep[J].Eur JNeurosci, 2009,29(9):1779-1794.

[11] VIENNE J,BETTLER B,FRANKEN P,et al.Differential effects of GABAB receptor subtypes,γ-hydroxybutyric acid,and baclofen on EEG activity and sleep regulation [J].JNeurosci,2010,30(42):14194-14204.

[12] WATSON C J,LYDIC R,BAGHDOYAN H A.Sleep duration varies as a function of glutamate and GABA in rat pontine reticular formation[J].J Neurochem,2011,118 (4):571-580.

[13] WATSON C J,SOTO-CALDERON H,LYDIC R,et al.Pontine reticular formation(PnO)administration of hypocretin-1 increases PnO GABA levels and wakefulness [J].Sleep,2008,31(4):453-464.

[14] BREVIG H N,WATSON C J,LYDIC R,et al.Hypocretin and GABA interact in the pontine reticular formation to increase wakefulness[J].Sleep,2010,33(10):1285-1293.

[15] SANFORD L D,TANG X,XIAO J,et al.GABAergic regulation of REM sleep in reticularis pontis oralis and caudalis in rats[J].JNeurophysiol,2003,90(2):938-945.

[16] FLINT R R,CHANG T,LYDIC R,et al.GABAA receptors in the pontine reticular formation of C57BL/6J mouse modulate neurochemical,electrographic,and behavioral phenotypes ofwakefulness[J].JNeurosci,2010,30(37): 12301-12309.

[17] VANINIG,WATHEN B L,LYDIC R,et al.Endogenous GABA levels in the pontine reticular formation are greater during wakefulness than during REM sleep[J].J Neurosci,2011,31(7):2649-2656.

[18] XIM C,MORALESFR,CHASEM H.Evidence thatwakefulness and REM sleep are controlled by a GABAergic pontine mechanism[J].J Neurophysiol,1999,82(4): 2015-2019.

[19] NITZD,SIEGEL J.GABA release in the dorsal raphe nucleus:role in the control of REM sleep[J].Am JPhysiol, 1997,273(3):451-455.

[20] FISKE E,GRONLI J,BJORVATN B,et al.The effect of GABAA antagonist bicuculline on dorsal raphe nucleus and frontal cortex extracellular serotonin:a window on SWSand REM sleep modulation[J].Pharmacol Biochem Behav, 2006,83(2):314-321.

[21] NITZD,SIEGEL JM.GABA release in the locus coeruleus as a function of sleep/wake state[J].Neuroscience,1997, 78(3):795-801.

[22] POLLOCK M S,MISTLBERGER R E.Rapid eyemovement sleep induction bym icroinjection of the GABA-A antagonist bicuculline into the dorsal subcoeruleus area of the rat[J]. Brain Res,2003,962(1-2):68-77.

[23] TORTEROLO P,MORALES F R,CHASE M H.GABA-ergic mechanisms in the pedunculopontine tegmental nucleus of the cat promote active(REM)sleep[J].Brain Res,2002,944(1-2):1-9.

[24] PAL D,MALLICK B N.Role of noradrenergic and GABA-ergic inputs in pedunculopontine tegmentum for regulation of rapid eye movement sleep in rats[J]. Neuropharmacology,2006,51(1):1-11.

[25] PAL D,MALLICK B N.GABA in pedunculo pontine tegmentum regulates spontaneous rapid eye movement sleep by acting on GABAA receptors in freely moving rats [J].Neurosci Lett,2004,365(3):200-204.

[26] PAL D,MALLICK B N.GABA in pedunculopontine tegmentum increases rapid eye movement sleep in freely moving rats:possible role of GABA-ergic inputs from substantia nigra pars reticulata[J].Neuroscience,2009, 164(2):404-414.

[27] TAKAKUSAKIK,SAITOH K,HARADA H,et al.Evidence for a role of basal ganglia in the regulation of rapid eye movement sleep by electrical and chemical stimulation for the pedunculopontine tegmental nucleus and the substantia nigra pars reticulata in decerebrate cats[J].Neuroscience, 2004,124(1):207-220.

[28] ALIM,JHA SK,KAUR S,etal.Role of GABA-A receptor in the preoptic area in the regulation of sleep-wakefulness and rapid eyemovement sleep[J].Neurosci Res,1999,33 (3):245-250.

[29] NITZ D,SIEGEL JM.GABA release in posterior hypothalamus across sleep-wake cycle[J].Am JPhysiol,1996,271 (6 Pt 2):1707-1712.

[30] BENEDETTO L,CHASEM H,TORTEROLOP.GABAergic processes within the median preoptic nucleus promote NREM sleep[J].Behav Brain Res,2012,232(1):60-65.

[31] MORRISON J L,SOOD S,LIU H,et al.GABAA receptor antagonism at the hypoglossal motor nucleus increases genioglossusmuscle activity in NREM but not REM sleep [J].JPhysiol,2003,548(2):569-583.

[32] LIK Y,GUAN Y Z,KRNJEVIC K,etal.Propofol facilitates glutamatergic transmission to neurons of the ventrolateral preoptic nucleus[J].Anesthesiology,2009,111(6):1271-1278.

[33] XIONGM,LIJ,WANG D,et al.Intra-ventrolateral preoptic nucleus injection ofγ-aminobutyric acid induces sedation in rats[J].Int JPhysiol Pathophysiol Pharmacol,2012,4(2): 94-98.

[34] KIM SJ,LYOO IK,LEE Y S,etal.Increased GABA levels in medial prefrontal cortex of young adults with narcolepsy [J].Sleep,2008,31(3):342-347.

[35] WINKELMAN JW,BUXTON O M,JENSEN J E,et al. Reduced brain GABA in primary insomnia:preliminary data from 4T proton magnetic resonance spectroscopy(1HMRS)[J].Sleep,2008,31(11):1499-1506.

[36] VANINIG,LYDIC R,BAGHDOYAN H A.GABA-to-ACh ratio in basal forebrain and cerebral cortex varies significantly during sleep[J].Sleep,2012,35(10):1325-1334.

DOI 10.3870/yydb.2014.05.029

R971.3;R969

A

1004-0781(2014)05-0641-04

2013-06-10

2013-10-08

*上海市教育委员会科研创新项目(14YZ063)；上海市卫生局中医药科研基金资助项目(2012QL019A)；上海市科委项目(10DZ1973800)；上海市卫生局项目(20110423)

谢晨(1987-),女,河北承德人,博士,研究方向:针灸免疫。电话:(0)18801615869,E-mail:xiechen2000@163.com。

杨文佳(1978-),女,云南保山人,主治医师,博士,研究方向:针灸治疗睡眠障碍的临床机制。电话:021-65161782,E-mail:yangwenjia1030@163.com。

陈云飞(1968-),男,四川富顺人,研究员,博士,研究方向:针灸免疫。电话:021-64684215,E-mail:icyf1968@163.com。