睡眠剥夺影响学习记忆机制的研究进展

陈莉弘综述，黄俊山审校

0 引 言

睡眠是个体生存发育所必需的一项重要生理活动，其对机体的体温调节、能量平衡、免疫机能等起到关键作用。而睡眠剥夺则是研究睡眠机能的一个重要手段，睡眠剥夺本身在现代社会就十分普遍，其发生常伴随有情绪、警觉、工作学习等方面的明显变化。其中睡眠剥夺对认知的影响一直是睡眠研究领域的热点。大量研究证实无论是急性或慢性睡眠剥夺或仅是部分睡眠缺失均会对认知水平造成很大影响［1］。随着神经科学的发展，对睡眠的认识早已由最初几种神经递质的改变转向分子生物学层面的研究。因而文中在此拟对近年关于睡眠剥夺影响学习记忆的各种机制进行综述。

1 睡眠剥夺与学习记忆

1.1 学习记忆 学习记忆是脑的基本功能。学习是指人和动物获得外界信息的神经过程，而记忆则是将获得的信息储存和读出的过程。通过对学习记忆的研究我们发现学习记忆与中枢神经系统的突触可塑性以及脑内大量化学物质相关。如:谷氨酸、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)、去甲肾上腺素(Norepinephrine，NE)、乙酰胆碱(acetylcholine，Ach)、5-羟色胺(5-hydroxy tryptamine，5-HT)、神经肽类、一氧化氮等。脑组织中直接与学习记忆相关的组织包括海马、大脑皮层、小脑、纹状体等。

1.2 睡眠剥夺 睡眠剥夺是指由于环境或自身原因无法满足正常睡眠的情况，一般指在24 h中的睡眠＜4h，并引起情绪、学习记忆、免疫功能等一系列改变的状况，伴随疲劳的增加可以引起生理、心理甚至行为的变化。大量研究发现睡眠对学习记忆的形成和巩固具有重要的作用，睡眠参与记忆痕迹的转化，将短时记忆碎片重新整合加工成为长时记忆，而这一转化过程具有一定的选择性，在一次睡眠中并非所有的记忆都能得到加工［2］。大量实验表明，学习后快速眼动睡眠(rapid eye movement，REM)时间明显增加，且随着学习任务增多、任务的复杂性增加，REM时间的增加也会更加明显，如果在此时发生睡眠剥夺，认知水平显著下降，且以学习和记忆能力受损最为明显［3］。可见睡眠与学习记忆的关系密切相关。

2 睡眠剥夺改变脑内化学物质

2.1 氨基酸类神经递质的改变 氨基酸类神经递质主要有兴奋性氨基酸和抑制性氨基酸，谷氨酸和GABA分别是氨基酸类神经递质的代表，各自对神经元活动起到兴奋性或抑制性的作用。无论是兴奋性氨基酸或抑制性氨基酸都对学习和记忆有很大影响。在学习过程中谷氨酸受体表达增加，此外谷氨酸还可改变突触效能，从而有利于学习与记忆。如果谷氨酸表达水平降低，则可能会造成大脑皮层功能减退，出现记忆力、注意力下降以及大脑功能的紊乱。GABA与谷氨酸的功能相互拮抗，主要起抑制作用，与谷氨酸一同保证大脑处于兴奋抑制的相对平衡状态。研究人员通过脑电超慢涨落图对脑内的神经递质进行检测，观察到经过28 h的睡眠剥夺后各种神经递质均有所变化，其中谷氨酸、Ach和NE活动明显减弱，GABA活动明显增强［4］。

2.2 单胺类神经递质的改变 脑内的单胺类神经递质主要包括5-HT、NE等。对学习记忆的作用比较复杂，并且与睡眠觉醒相关。已知的NE与中枢学习记忆功能关系密切，NE可修复神经元细胞可塑性，增强学习记忆。Gais等［5］通过气味识别实验发现，减少NE释放后，人对气味识别的记忆能力明显受损，而给予NE再摄取抑制剂后对气味识别的记忆却能得到巩固。基底外侧杏仁核是NE活性的关键位点，从基底外侧杏仁核直接注入NE也可增强记忆，而破坏基底外侧杏仁核或注入β受体拮抗剂可阻断记忆的巩固。而实验证明睡眠剥夺后脑组织的NE明显下降，可能与睡眠剥夺后NE合成速率减弱以至于脑内NE缺乏影响动物的学习记忆能力。

5-HT是中枢神经系统里经典的单胺类神经递质，其与学习记忆相关的14个受体亚型广泛分布在整个中枢系统，通过作用于自身受体从而对脑内复杂功能进行调节。Meneses等［6］通过放射自显影技术发现经过记忆训练的大鼠与衰老大鼠相比在记忆相关的脑区5-HT受体的表达有明显的差异，说明5-HT参与学习与记忆的调节。5-HT作为一种神经递质可以调节睡眠觉醒，其发挥作用主要取决于受体亚型、作用的脑区、以及是突触前受体还是后受体等因素，但是由于5-HT受体的亚型众多，因而对睡眠的调节比较复杂。有实验发现整夜睡眠剥夺后各脑区5-HT2A受体结合力明显增强，而这种增强却随着继续睡眠剥夺而减弱［7］。

2.3 胆碱能神经递质的改变 胆碱能系统的激活已被证实能够显著提高注意力、学习能力、记忆巩固能力以及突触可塑性(记忆形成的前提)。最早发现在觉醒和REM睡眠期(异相睡眠期间)Ach的水平较其他时间段高，间接说明REM睡眠很有可能在近期记忆的突触可塑性上扮演了重要角色［8］。大脑皮层、一些边缘结构等脑区内富含Ach能纤维，在边缘系统中，尤其是隔区-海马-边缘叶这条M样Ach能通路与学习记忆密切相关，这些脑区的损伤可引起学习记忆的缺陷，出现顺行性遗忘等。此外，也有研究发现脑内乙酰胆碱和胆碱酯酶的浓度变化是异相睡眠剥夺后大鼠记忆能力减弱的主要原因［9］。若在异相睡眠窗间注射Ach抑制剂东莨菪碱，可显著降低大鼠回避反应中的正确回避次数 ，可见Ach对学习记忆有着重要的作用，且异相睡眠剥夺后学习记忆功能受损程度与海马内胆碱能递质传递效率下降有关。96 h睡眠剥夺后大鼠海马组织内的AchE活性明显增高，因而水解Ach的速率增加，脑组织中的乙酰胆碱含量下降，从而影响学习记忆活动。但是随后Gais和Born［10］也提出在慢波睡眠期间低水平的乙酰胆碱对于陈述性记忆的巩固起到关键作用，这可能由于不同类型记忆巩固的条件差异或是睡眠自身复杂性所致。

2.4 肽类神经递质的改变 神经肽类物质广泛分布在脑组织中学习记忆的关键脑区，尤其在海马区、杏仁核以及基底前脑上。神经肽之间相互联系，并且能与胆碱能、谷氨酸能、多巴胺能以及GABA能神经通路相互作用［11］。并且神经肽类物质与睡眠密切相关，如神经肽B(Neuropeptide B，NPB)和神经肽Y。NPB是由Fuji等［12］在2002年所发现的一种与GPR-7耦联的一种含有29个氨基酸残基的肽类物质，其氮末端色氨酸C-6被特殊溴化，因此命名为NPB。研究发现向大鼠脑室内注入NPB可降低觉醒时间，增加慢波睡眠时间，这一现象与NPB剂量相关［13］。慢性睡眠剥夺后学习记忆的改变很有可能与NPB或其相关受体表达变化相关。除此之外，睡眠剥夺引起的学习记忆能力下降还与神经肽Y、瘦素、食欲素等相关［14］。

2.5 其他化学物质 脑内影响睡眠的物质一直是研究的重点，除了上文提到的几大类神经递质外还有许多其他的化学物质，如一氧化氮、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor，TNF-α)、白细胞介素 1(interleukin，IL-1)等。

一氧化氮能神经元在中枢中主要分布在大脑皮层、海马、小脑、嗅球、纹状体、脑干等部位，其对学习记忆的作用比较复杂。业已证明学习记忆过程中伴有脑内一氧化氮合成酶活性和一氧化氮能神经元上调，而抑制一氧化氮生成则可使多种动物的学习记忆力下降。海马及前额皮质处一氧化氮合成酶表达下降可能是睡眠剥夺影响学习记忆能力的机制之一［15］。然而过量的一氧化氮具有神经毒性，过量的一氧化氮可引起DNA的损伤和突变，加快氧自由基的释放，从而损伤神经细胞［16］。睡眠剥夺也可诱发小鼠脑一氧化氮增加，认知能力显著下降，这可能是因为过量一氧化氮产生的毒性物质诱导细胞凋亡，同时线粒体功能紊乱使氧自由基释放，引起脑神经细胞的损伤。这可能是睡眠剥夺通过一氧化氮影响学习记忆能力的另一机制。细胞因子中研究的比较深入的有 IL-1、IL-6、TNF-α 等，与睡眠剥夺后认知损伤也有一定关系。

3 睡眠剥夺对脑组织的损伤

脑组织中的海马与学习和记忆过程密切联系。若同时大范围损伤双侧海马可造成近期事实记忆能力丧失。马双双等［17］对睡眠剥夺的大鼠海马区神经元进行观察发现睡眠剥夺组大鼠海马区神经细胞线粒体高度肿胀、可见明显的脱颗粒、嵴断裂和溶解现象，海马CA1区椎体细胞排列疏松，尼氏小体减少或消失，各部位超微结构呈现不同程度改变，如轴突水肿明显，线粒体损伤明显。这种是由睡眠剥夺导致的海马损伤从而引起学习记忆能力下降。研究发现脑组织中其他与学习记忆密切相关的组织，如前额皮质、下丘脑等，在睡眠剥夺模型的大鼠中也有不同的受损表现。

4 睡眠剥夺对突触可塑性的影响

学习记忆的神经基础是中枢神经系统高度的可塑性，包括神经网络、神经环路及突触连接等不同水平的可塑性，其中突触连接是神经元之间信息传递的重要环节，是神经可塑性的关键部位。通常习惯通过研究海马的长时程增强(long-term potentiation，LTP)来测量突触可塑性，LTP是发生在两个神经元信号传输中的一种持久性增强现象，最早是由泰耶·勒莫在兔海马体中发现的，现已成为研究学习记忆的重要电生理指标。LTP的幅度会随着昼夜节律和睡眠觉醒发生变化，对于大鼠，研究人员发现其在夜间活动时LTP出现增多，而在白天时则减少。也有实验表明睡眠剥夺可以抑制大鼠海马CA1区锥体细胞由N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartatereceptor，NMDA)受体介导的LTP诱出。近年来的研究表明长时程增强LTP效应的强度与动物的记忆能力有显著地相关性，长时间睡眠剥夺可明显抑制大鼠海马CA1区锥体细胞由NMDA受体介导的LTP从而显著影响大鼠的学习记忆能力。国内外研究证实:采用单平台法睡眠剥夺24、48、72h损害海马CA1区LTP，且72 h睡眠剥夺比24 h睡眠剥夺损害程度更强［18］。可见睡眠剥夺对大脑突触可塑性的损害是随着剥夺时间的延长而加深的。

5 睡眠剥夺导致基因改变

睡眠剥夺后相关基因的改变是比较复杂的。可根据其作用机制大体分为改变与突触可塑性相关的基因，与神经细胞凋亡相关的基因，与神经系统细胞内信号传导相关的基因等。

5.1 与突触可塑性相关的基因 神经营养因子能维持神经元生存、促进突触生长，当前额叶、海马等脑区神经营养因子缺乏时 ，可造成相应脑功能抑制［19］。脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)是脑内神经元生存所依赖的一种重要营养因子，可以促进神经细胞分化、维持神经细胞正常功能等。无论BDNF作用于突触前膜还是突触后膜都可以诱导产生 LTP，而一旦外源性BDNF消除后，LTP则可被阻断。通过观察发现急性睡眠剥夺后可造成BDNF表达的增加，反映了机体的某种代偿保护机制［20］。然而随着睡眠剥夺时间不断延长，这种代偿机制也终被打破造成认知功能的损害。海马磷酸化环磷酸腺苷相应元件结合蛋白(phosphorylated camp response element binding protein，pCREB)表达降低，作为哺乳动物长时记忆突触可塑性标志物之一，pCREB广泛存在于神经元细胞核内，有利于神经元生长并对记忆的形成起到关键作用，被认为是短时记忆向长时记忆加工的一个分子开关。有研究表明小鼠睡眠剥夺后其海马pCREB表达含量明显低于对照组，阻碍学习记忆中的突触形成，造成小鼠记忆功能降低［21］。

5.2 与神经细胞凋亡相关的基因 丝裂原活化蛋白激酶被认为与神经元的存活及凋亡有关，在由一氧化氮引起的体外培养的皮层神经元凋亡过程中，抑制JNK/p38活性可显著抑制这些神经元的凋亡。而在神经生长因子、BDNF等促进神经元存活的过程中，细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)起着促进存活的信号转导作用。有研究发现REM睡眠剥夺后，ERK活性明显下降而，JNK蛋白表达量明显增加，这种机制可能使得神经细胞凋亡从而影响动物学习记忆能力。

5.3 其他相关基因 与睡眠和学习记忆相关的基因众多，除上述基因外，尚有很多可以继续探究。当前睡眠研究领域普遍认为睡眠有利于认知过程，而睡眠缺失会阻碍细胞或突触的正常运作从而干扰学习、记忆［22］。

6 结 语

学习是一个动态的复杂过程，激活任意一个影响记忆形成的结构都将对记忆巩固产生复杂影响。因而研究睡眠对学习记忆的影响也要从多方面进行综合考虑。综上所述，睡眠剥夺对学习记忆影响的机制主要可以从改变与学习记忆相关的神经递质、对神经组织的直接损伤、对突触可塑性的影响以及相关基因的改变这几个途径来解释。在这几种途径中是否有一条途径占主导地位尚不清楚。当前对睡眠剥夺影响学习记忆的研究已经由最初的神经递质改变的研究转向到分子生物学水平的研究，这一点是很大的突破。但是目前一直停留在对睡眠机制的研究，尚缺乏睡眠与临床疾病的相关研究，因而今后可加大睡眠剥夺对疾病影响的探讨，考虑睡眠剥夺是否会导致神经变性以及与神经变性疾病等有无关联。近年来已有研究表明长期睡眠剥夺可导致脑内淀粉样斑块沉积、神经纤维缠结等，但就其机制尚无明确答案，可进一步探讨睡眠剥夺对脑内淀粉样前体蛋白(amyIoid precursor protein，APP)的分解，如探讨睡眠剥夺后APPα-分泌酶、β-分泌酶表达情况等。

［1］ Duclos C，Beauregard MP，Bottari C，et al.The impact of poor sleep on cognition and activities of daily living after traumatic brain injury:A review［J］.Aust Occup Ther J，2015，62(1):2-12.

［2］ Born J，Wilhelm I.system consolidation of memory during sleep［J］.Psychol Res，2012，76(2):192-203.

［3］ Havekes R，Meerlo P，Abel T.Animal studies on the role of sleep in memory:from behavioral performance to molecular mechanisms［J］.Curr Top Behav Neurosci，2015，25:183-206.

［4］ Maquet P.The role of sleep in learning and memory［J］.Science，2001，294:1048-1052.

［5］ Gais S，Rasch B，Dahmen JC，et al.The memory function of noradrenergic activity in non-REM sleep［J］.J Cogn Neurosci，2011，23(9):2582-2592.

［6］ Meneses A，Manuel-Apolinar L，Rocha L，et al.expression of the 5-ht receptors in rat brain during memory consolidation［J］.Behav Brain Res，2004，152(2):425-436.

［7］ Elmenhorst D，Kroll T，Matusch A，et al.Sleep deprivation increases cerebral serotonin 2A receptor binding in humans［J］.Sleep，2012，35(12):1615-1623.

［8］ Power AE.slow-wave sleep，acetylcholine，and memory consolidation［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2004，101(7):1795-1796.

［9］ Khadrawy YA，Nour NA，Aboul Ezz HS.Effect of oxidative stress induced by paradoxical sleep deprivation on the activities of Na+，K+-ATPase and acetylcholinesterase in the cortex and hippocampus of rat［J］.Transl Res，2011，157(2):100-107.

［10］ Gais S，Born J.Low acetylcholine during slow-wave sleep is critical for declarative memory consolidation［J］.PNAS，2004，101(7):2140-2144.

［11］ Borbély E，Scheich B，Helyes Z.Neuropeptides in learning and memory［J］.Neuropeptides，2013，47(6):439-450.

［12］ Fuji R，Yoshida H，Fukusumi S，et al.Identification of a neuropeptide modified with bromine as an endogenous ligand for GPR7［J］.J Biol Chem，2002，277(37):34010-34016.

［13］ Hirashima N，Tsunematsu T，Ichiki K，et al.Neuropeptide b induces slow wave sleep in mice［J］.Sleep，2011，34(1):31-37.

［14］ Selbach O，Eriksson KS，Haas HL.Drugs to interfere with orexins(hypocretins)［J］.Drug News Perspect，2003，16(10):669-681.

［15］ Cespuglio R，Amrouni D，Meiller A，et al.Nitric oxide in the regulation of the sleep-wake states［J］.Sleep Med Rev，2012，16(3):265-279.

［16］ McCann SM.The nitric oxide hypothesis of brain aging［J］.Exp Gerontol，1997，32(5):431-440.

［17］ 马双双，齐 阳，王 莹，等.连续睡眠剥夺对大鼠认知能力、神经递质及海马结构的影响［J］.海军医学杂志，2013，34(2):82-85.

［18］ Davis CJ，Harding JW，Wright JW.REM sleep deprivation-induced deficits in the latency-to-peak induction and maintenance of long-term potentiation within the CA1 region of the hippocampus［J］.Brain Res，2003，973(2):293-297.

［19］ 吕 姣，王 芳，邹英鹰.海马和视网膜组织中VEGF和PKC表达与认知功能障碍关系的研究进展［J］.医学研究生学报，2015，28(5):530-533.

［20］ Zielinski MR，Kim Y，Karpova SA，et al.Chronic sleep restriction elevates brain interleukin-1 beta and tumor necrosis factor-alpha and attenuates brain-derived neurotrophic factor expression［J］.Neurosci Lett，2014，19:27-31.

［21］ Pinho N，Moreira KM，Hipolide DC，et al.Sleep deprivation alters phosphorylated creb levels in the amygdala:relationship with performance in a fear conditioning task［J］.Behav Brain Res，2013，236(1):221-224.

［22］ Abel T，Havekes R，Saletin JM，et al.Sleep，plasticity and memory from molecules to whole-brain networks［J］.Curr Biol，2013，23(17):774-788.