睡眠剥夺和海马依赖性记忆☆

苗素云倪丽艳王利唐吉友

·综述·

睡眠剥夺和海马依赖性记忆☆

苗素云*倪丽艳△王利※唐吉友◎○☆

睡眠剥夺海马学习记忆食欲素

睡眠剥夺（sleep deprivation，SD）是指由于环境或自身原因无法满足正常睡眠的情况，表现为睡眠减少或睡眠中断（sleep disruption）。SD分为完全性睡眠剥夺（total sleep deprivation，TSD）和选择性睡眠剥夺（selective sleep deprivation，SSD），后者又分为非快速眼球运动睡眠剥夺（nonrapid eyemovement sleep deprivation，NREMSD）和快速眼球运动睡眠剥夺（rapid eye movement sleep deprivation，REMSD）。其对大脑的主要影响之一是认知功能损害。学习记忆包括复杂的过程，如信息获取、编码、短时储存、长期巩固及记忆的提取等，其中每个过程受损都可导致记忆损害。海马结构包括海马、齿状回（dentate gyrus，DG）、下托、前下托和内嗅皮层，是边缘-认知系统的一个重要部分，接受各个皮层来源的感觉信息，其基本作用是将获得的信息进行编码、短时储存，在认知功能中起重要作用。研究证实，睡眠对海马依赖性记忆（hippocampus-dependentmemory）形成是必不可少的，长期SD或睡眠中断不仅能降低海马的活性，而且也能抑制海马神经元再生，导致记忆功能减退[1]。本文将回顾文献，探讨海马是对睡眠缺失特别敏感的脑区，海马可塑性改变是SD诱导学习记忆损害的主要机制之一。

1 睡眠剥夺和海马依赖性记忆损害

1.1 学习前睡眠剥夺损害记忆形成动物研究表明[2]，学习之前SD会损害记忆的获取和编码过程。通常研究海马依赖性行为模式的动物模型是巴普洛夫恐惧条件反射。在学习记忆前采用小平台水环境法对大鼠进行SD 72 h，然后将足底电击和声音信号关联，发现SD显著影响恐惧记忆任务，SD的大鼠对声音信号表现出的冻结行为时间比没有SD的大鼠下降88％，表明学习前SD损害海马依赖性记忆能力。

为评估SD对健康人新情景记忆形成的影响，学习前对志愿者进行SD 24 h，然后应用功能磁共振（functional MRI，fMRI）结合图像识别测试进行研究，结果显示在情景记忆编码期间海马功能显著减退，图像识别水平下降19％[3]。在记忆编码期间海马区域激活减少，表明学习前SD可能会影响海马功能和记忆编码，引起学习记忆功能减退。

1.2 学习后睡眠剥夺损害记忆巩固研究海马依赖性空间任务学习的常用动物模型是Morris水迷宫。SMITH等[4]最早用水迷宫研究睡眠在学习和记忆形成中的作用，左海马依赖性任务模式训练4 d后将大鼠分组，一组立刻进行SD 12 h，另一组12 h后再进行相同时间的SD，另设一组没有SD的大鼠，结果显示，第一组大鼠学习寻找平台的过程更缓慢。这提示SD特别损害需要海马参与的记忆巩固过程。

为研究慢性睡眠限制（sleep restriction，SR）对青少年记忆巩固的影响，对506名青少年进行1周的SR，每晚给予5 h睡眠，SR前要求被试记住一段散文，其中一半的内容要求重点记忆，在SR前、SR后及SR 6周后进行自由回忆测试，结果发现正常睡眠组（每晚9 h睡眠）在3个时间点重点内容记忆优于非重点内容记忆，而SR组在SR后及SR 6周后2个时间点重点内容记忆受到影响[5]。该研究提示慢性SR可能减弱陈述性记忆巩固的优先次序优势。

2 睡眠剥夺损害学习记忆的机制

2.1 睡眠剥夺损害长时程增强学习记忆的神经生物学基础是海马神经系统的突触可塑性（synaptic plasticity），长时程增强（long-term potentiation，LTP）和长时程抑制（longterm drepression，LTD）是突触可塑性的主要表现形式，是哺乳动物中枢神经系统贮存信息的主要机制。越来越多的证据表明，睡眠可以促进突触可塑性形成，而SD对海马突触可塑性产生不利影响[6]。

研究发现SD不利于海马的LTP诱导，并降低LTP水平[6-7]。ZAGAAR等[6]采用改良多平台法对大鼠进行急性SD 24 h处理，然后将大鼠麻醉，在DG区诱发晚期LTP（late phase long-term potentiation，L-LTP），在DG区记录细胞外电位。虽然这个刺激程序在对照组大鼠能正常诱导出LTP，但SD组大鼠L-LTP的感应现象被抑制。

MARKS等[7]对大鼠进行不同时间段的REMSD，然后在体观察大鼠DG区颗粒细胞LTP变化。REMSD 3 h、6 h以及9 h后，LTP随剥夺时间增长而呈“时间”依赖性降低。3 h SD使LTP从38.7％降至7.6％，6 h SD使LTP降至1.5％，而9 h SD组彻底测不到LTP。这些结果表明，即使3 h的短暂SD也能导致突触可塑性变化。

也有少数关于SD对其他类型海马突触可塑性LTD影响的研究，发现与SD抑制LTP的效果相反，SD可能提高LTD，也可能对LTD没有影响[8]。对大鼠进行12 h SD后，用低频强直刺激海马的CA1区神经元诱发LTD，发现SD引起海马CA1区LTD兴奋性突触后电位显著升高，而增高的LTD能引起记忆获取和巩固的并行下降[9]。

2.2 睡眠剥夺改变谷氨酸受体表达和功能SD能引起谷氨酸受体在海马表达减少以及功能降低。参与LTP和LTD形成的谷氨酸受体家族之一是离子通道型受体家族，其中包括N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDA受体）和a-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体（AMPA受体）。SD降低细胞内Ca2+内流，导致NMDA受体亚单位组成以及表面表达的改变，从而影响受体激活[10]。对大鼠进行72 h SD并进行神经电生理研究发现，在CA1细胞远端树突记录到的NMDA受体介导的电流振幅下降；全细胞记录还发现，CA1区的锥体细胞对于谢弗侧枝（schaffer collateral）刺激出现NMDA/AMPA比值下降，而未SD的大鼠NMDA/AMPA比值正常[11]。

SD还能导致NMDA受体体系结构的变化。HAGEWOUD等[12]用温和刺激法对小鼠进行6 h或12 h SD，然后用免疫印迹法评估SD对海马AMPA受体亚单位蛋白水平和磷酸化的影响，发现海马区AMPA受体磷酸化在GluA1亚单位的S845位点减少，且在12 h SD后与对照组相比有显著差异。S845位点磷酸化对受体与细胞膜的结合非常重要，因此考虑SD可能降低了AMPA受体在膜表面的表达。

除了谷氨酸受体的表达和功能改变外，SD还会影响谷氨酸的含量和释放。魔角旋转质子磁共振波谱法是一种定量探测神经化学物质或代谢产物的体外成像技术，常用来评估不同脑区的谷氨酸水平。研究发现大鼠6 h或12 h SD后，海马和丘脑的谷氨酸水平增高[13]。

2.3 睡眠剥夺改变基因表达和翻译过程转录因子环磷酸腺苷效应元件结合蛋白（cAMPresponse element binding protein，CREB）能调节神经可塑性相关基因的表达，通常由环磷酸腺苷-蛋白激酶A（cyclic adenosinemonophosphateprotein kinase A，cAMP-PKA）信号激活，SD阻碍海马cAMP-PKA信号通路，从而扰乱认知过程[6,14-15]。对啮齿动物的研究表明，72 h REMSD能降低海马磷酸化CREB（PCREB）水平[15]，而另一项研究则发现24 h的REMSD就能使海马DG区总CREB及P-CREB表达减少[18]。SD干扰执行记忆编码和巩固的主要分子机制，尤其在cAMP-PKA信号通路的基因转录水平发生紊乱。

脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）是神经再生、神经元存活和突触可塑性的重要启动子，其表达是在CREB的控制之下。对大鼠进行24 h SD，发现海马DG区出现L-LTP抑制，BDNF降低，与之平行的P-CREB表达也降低[6]。而服用咖啡因4周能防止SD诱导的总CREB、P-CREB及钙调蛋白激酶Ⅳ（calmodulin kinaseⅣ，CaMKⅣ）和BDNF减少，并阻止LTP的损害[14]。

VECSEY等[16]测试5 h SD对小鼠海马基因表达的影响，发现533个基因表达出现变化。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是参与记忆巩固过程的蛋白质合成调整基因，5 h的SD导致总mTOR以及磷酸化mTOR水平降低，而睡眠恢复后2.5 h，mTOR回到基础水平[16]；海马的突触可塑性也在相同的时间内恢复正常[17]。

2.4 慢性睡眠剥夺损害海马的神经发生神经发生包括细胞增殖、分化、成熟、迁移、存活以及新生细胞的功能整合到现有海马网络。这些新生神经元有助于海马功能发挥，并且在学习和记忆形成中发挥作用。对啮齿类动物的研究表明，短期SD（＜1 d）可以促进海马DG区神经发生[18]，而长期睡眠不足或睡眠中断（＞2 d）最终降低海马细胞增殖和新生神经元形成[1]。

对于慢性SD，文献研究一致表明新生细胞的增殖和存活受到抑制。GUZMA′N-MARI′N等[19]最早报道96 h TSD后大鼠海马DG区细胞增殖受到抑制。通过间歇性跑步机强迫运动法对大鼠实施4 d的TSD，然后用5-溴脱氧尿嘧啶核苷（5-bromo-2’-deoxyuridine，BrdU）标记大脑切片的新生细胞，结果表明，SD组大鼠（运动3 s/停止12 s）海马DG区BrdU阳性细胞数与环境对照组（运动15min/停止60min）相比下降54％，与无SD组相比下降68％[19]。最近的研究应用不同SD方法和持续时间，证实48 h SD后海马DG区细胞增殖减少，新生细胞存活降低以及分化成熟神经元减少[1]。

2.5 睡眠剥夺改变食欲素系统食欲素（Orexin）是下丘脑神经元产生的兴奋性神经肽，有两种亚型：Orexin-A和B，又称为Hypocretin 1和2（Hcrt1和2），分别激活两种G蛋白偶联细胞表面受体Orexin 1受体（OX1R）和Orexin 2受体（OX2R）。其中Gq蛋白/磷脂酶C/蛋白激酶C（Gq/PLC/ PKC）是Orexin-A的关键信号通路，可通过调控细胞外信号调节激酶1/2（extracellular regulated protein kinases 1/2，ERK1/2）的激活促进细胞增殖而参与学习记忆[20]。然而，Orexin神经元对SD高度敏感，睡眠剥夺能增加Orexin的合成、释放和受体表达[21]。对大鼠进行96 h REMSD，发现蓝斑核、下丘脑及大脑皮层中Orexin水平增高，而恢复睡眠3 d后降至正常。临床研究也发现原发性失眠患者血浆中Orexin-A水平升高[22-23]。REMSD诱导的Orexin-A过度表达可导致大鼠双侧海马神经元损害，给予OX1R或OX2R拮抗剂能减轻SD的不利影响[24]；AOU等[25]发现给予1 nmol/L和10 nmol/LOrexin-A时，大鼠在水迷宫任务中均表现出空间学习和记忆能力减退。海马切片的谢弗侧枝-CA1电生理结果显示，1～30 nmol/L（1 nmol/L、3 nmol/L、10 nmol/L和30 nmol/L）Orexin-A于脑室注射，可产生剂量依赖性和时间依赖性LTP抑制[25]。原发性失眠患者中，伴有记忆减退患者的Orexin-A水平明显高于不伴有记忆减退患者[22]。上述研究提示SD可能通过提高脑内Orexin-A水平，引起海马神经细胞损害，导致学习记忆功能减退。

3 展望

随着人们生活节奏加快、社会竞争压力的增大、不健康的生活方式以及特殊职业增加等，SD现象已非常普遍，这势必会影响人们的身体健康和正常生活。若长期处于SD状态，可引起人或动物思维紊乱、学习记忆受损。面对SD和由此引起的记忆损害，尽管有如此多的发生机制，但目前有效的解决办法却极为有限。有研究报道，咖啡因能预防SD诱导的海马依赖性记忆损害[14]，但是该药物干预SD与记忆损害之间的作用靶点不明确，而且能干扰睡眠结构，长期应用会引起睡眠紊乱，反而加重记忆损害。因此进一步探讨海马与学习记忆相关的分子与细胞机制和特异性靶点，对开发有效药物治疗SD伴随的学习记忆功能损害具有重要临床意义。

SD诱导内源性Orexin-A高表达，引起海马神经元损伤，造成正常海马功能损害，这将成为睡眠剥夺影响学习记忆的主要分子与细胞机制。通过特异性阻断和调控这一信号通路上的某一靶点，既能改善睡眠，又能逆转SD所致的学习记忆损害。因此，对Orexin及其受体参与睡眠—觉醒和学习记忆机制的研究，对寻找新靶点防治睡眠障碍及其所造成的学习记忆损害，具有重要的临床意义。

[1]CHAUHAN G,RAY K,SAHU S,et al.Adenosine A1 receptor antagonistmitigates deleterious effects of sleep deprivation on adult neurogenesis and spatial reference memory in rats[J]. Neuroscience,2016,337:107-116.

[2]HAGEWOUD R,WHITCOMB SN,HEERINGA AN,et al.A time for learning and a time for sleep:the effect of sleep deprivation on contextual fear conditioning at different times of the day[J].Sleep,2010,33（10）:1315-1322.

[3]YOO SS,HU PT,GUJAR N,et al.A deficit in the ability to form new humanmemorieswithout sleep[J].Nat Neurosci,2007, 10（3）:385-392.

[4]SMITH C,ROSE GM.Evidence for a paradoxical sleep window for place learning in the Morris water maze[J].Physiol Behav, 1996,59（1）:93-97.

[5]LO JC,BENNIONKA,CHEEMW.Sleep restriction can attenuate prioritization benefits on declarative memory consolidation [J].JSleep Res,2016,25（6）:664-672.

[6]ZAGAAR MA,DAO AT,ALHAIDER IA,et al.Prevention by Regular Exercise of Acute SleepDeprivation-Induced Impairment of Late Phase LTP and Related Signaling Molecules in the Dentate Gyrus[J].Mol Neurobiol,2016,53（5）:2900-2910.

[7]MARKS CA,WAYNER MJ.Effects of sleep disruption on rat dentategranule cell LTP in vivo[J].Brain Res Bull,2005,66（2）: 114-119.

[8]YANG Z,ZHANGW,WANGM,et al.Effects of daytime,night and sleep pressure on long-term depression in the hippocampus in vivo[J].NeurosciLett,2012,511（2）:106-109.

[9]TADAVARTY R,KAAN TKY,SASTRY BR.Long-term depression of excitatory synaptic transmission in rat hippocampal CA1 neurons following sleep-deprivation[J].Exp Neurol,2009, 216（1）:239-242.

[10]CHANG HM,LIAOWC,SHEU JN,et al.Sleep deprivation impairs Ca2+expression inthe hippocampus:ionic imaging analysis for cognitive deficiency with TOF-SIMS[J].Microsc Microanal, 2012,18（3）:425-435.

[11]MCDERMOTT CM,HARDY MN,BAZAN NG,et al.Sleep deprivation-induced alterations in excitatory synaptic transmission in the CA1 region of the rat hippocampus[J].JPhysiol,2006, 570（Pt3）:553-565.

[12]HAGEWOUD R,HAVEKESR,NOVATIA,et al.Sleep deprivation impairs spatialworkingmemory and reduces hippocampal AMPA receptor phosphorylation[J].JSleep Res,2010,19（2）: 280-288.

[13]CORTESE BM,MITCHELL TR,GALLOWAY MP,et al.Region-specific alteration in brain glutamate:possible relationship to risk-taking behavior[J].Physiol Behav,2010,99（4）:445-450.

[14]ALHAIDER IA,ALKADHI KA.Caffeine treatment prevents rapid eye movement sleep deprivation-induced impairment of late-phase long-term potentiation in the dentate gyrus[J].Eur JNeurosci,2015,42（10）:2843-2850.

[15]SU X,WANG C,WANG X,et al.Sweet Dream Liquid Chinese Medicine Ameliorates Learning and Memory Deficit in a RatModel of Paradoxical Sleep Deprivation through the ERK/CREB Signaling Pathway[J].JMed Food,2016,19（5）:472-480.

[16]VECSEYCG,PEIXOTO L,CHOIJH,et al.Genomic analysis of sleep deprivation reveals translational regulation in the hippocampus[J].Physiol Genomics,2012,44（20）:981-991.

[17]HOEFFER CA,KLANN E.MTOR signaling:at the crossroads of plasticity,memory and disease[J].Trends Neurosci,2010,33（2）:67-75.

[18]CHENG O,LIR,ZHAO L,et al.Short-term deprivation stimulates hippocampal neurogenesis in rats following global cerebral ischemia/reperfusion[J].PLoSOne,2015,10（6）:e0125877.

[19]GUZMA′N-MARI′N R,SUNTSOVA N,STEWART DR,et al. Sleep deprivation reduces proliferation of cells in the dentate gyrus of the hippocampus in rats[J].JPhysiol,2003,549（Pt2）: 563-571.

[20]ZHAO X,ZHANG RX,TANG S,et al.Orexin-Ainduced ERK1/2 activation reverses impaired spatial learning and memory in pentylenetetrazol-kindled rats via OX1R-mediated hippocampal neurogenesis[J].Peptides,2014,54:140-147.

[21]MEHTA R,KHANDAY MA,MALLICK BN.REM sleep loss associated changes in orexin-A levels in discrete brain areas in rats[J].Neurosci Lett,2015,590:62-67.

[22]鲁珊珊,路莉莉,黄伟伟,等.食欲素与原发性失眠患者记忆功能的相关性[J].中国神经精神疾病杂志,2014,40（9）: 542-546.

[23]TANG S,HUANGW,LU S,et al.Increased plasma orexin-A levels in patients with insomnia disorder are not associated with prepro-orexin or orexin receptor gene polymorphisms[J].Peptides,2017,88:55-61.

[24]NI LY,ZHU MJ,SONG Y,et al.Pentylenetetrazol-induced seizures are exacerbated by sleep deprivation through orexin receptor-mediated hippocampal cell proliferation[J].Neurol Sci, 2014,35（2）:245-252.

[25]AOU S,LIXL,LIAJ,et al.Orexin-A（hypocretin-1）impairs Morris water maze performance and CA1-Schaffer collateral long-term potentiation in rats[J].Neuroscience,2003,119（4）: 1221-1228.

R740（

2016-10-09）

A（责任编辑：肖雅妮）

10.3969/j.issn.1002-0152.2017.04.014

☆国家自然科学基金（编号：81471345）

*山东省泰安市中心医院神经内科（泰安271000）

△山东省巨野县人民医院神经内科

※山东省烟台毓璜顶医院中医中西医结合科

◎山东省千佛山医院神经内科（济南250014）

○☆通信作者（E-mail：tangjiyou@sohu.com）