针灸改善睡眠剥夺后认知障碍的神经生物学机制研究进展

李梦琪,王洪峰,王文慧,王朝辉

（长春中医药大学,长春 130117）

睡眠剥夺（sleep deprivation,SD）是指由于不同原因造成的睡眠时间减少,不同程度的SD可对正常人的认知功能造成损害,导致其警觉减退、学习记忆能力下降[1-2],影响日常工作的效率以及准确性。研究表明,当正常人睡眠被剥夺 24 h以上,认知能力将下降30%～70%[3]。目前针对SD引起的认知下降尚缺乏有效的治疗药物,而针灸作为一种简单有效的治疗手段已被证明对于急慢性 SD均有良好的调节作用[4-5]。近年来,针灸在改善SD后的认知障碍机制方面取得了一定的研究成果,本文以“睡眠剥夺”“针灸”“认知”“sleep deprivation”“acupuncture”“cognition”为检索词,采取主题词结合自由词的方法,检索中国知网、维普、万方、CBM、Pubmed、Web of Science、Embase、Cochrane Library数据库近十年来（2010年 6月―2020年6月）有关于针灸改善SD后认知功能障碍的文献,具体综述如下。

1 调节神经递质水平

1.1 降低谷氨酸（Glutamate,Glu）水平

Glu是人脑主要的兴奋性神经递质,在维持长时程增强现象（long term potentiation,LTP）的精细调节分子过程中起着至关重要的作用,长时间SD可引起脑内 Glu水平升高[6],导致神经元兴奋性降低,影响突触可塑性[7],降低学习记忆能力。有研究表明,针刺四神聪等穴可促进脑部血液循环,促进人体对 Glu的合成与吸收,对交感神经兴奋的睡眠障碍具有良好的调节作用[8]。胡震亚[9]进一步研究针刺四神聪等穴对SD大鼠的作用机制,发现针刺四神聪等穴可有效降低海马区 Glu含量,并且针刺穴位后海马区内的 Glu转运体（EAAT3蛋白）增高,而针刺非穴位组则无此效应,提示针刺特定腧穴能通过调节海马区Glu水平来改善认知能力,并且这种调节可能与 EAAT3蛋白的表达间接影响海马内Glu水平相关;除海马区外,针刺对下丘脑内的 Glu水平也有良好的调节作用,韦祎等[10]通过针刺脐内环穴合失眠穴方改善 PCPA睡眠剥夺模型大鼠,发现针刺组能显著下降SD引起下丘脑内Glu的异常增高水平,从而缓解大鼠焦虑情绪,提高记忆力。

1.2 调节γ-氨基丁酸（gamma aminobutyric acid,GABA）水平

GABA与Glu相互拮抗,是脑内的主要抑制性神经递质,与 Glu共同维持着大脑兴奋抑制的相对平衡状态。当睡眠被剥夺的时间较长时,海马区神经元受损,GABA含量下降[11-13]。研究表明,针刺可促使皮质内GABA含量上升,再平衡兴奋与抑制,减少神经元毒性损害[14],胡震亚[9]通过针刺调节睡眠剥夺7 d后大鼠发现,针刺能提高海马脑区GABA含量并改善大鼠的躁狂情绪,提示针灸可能通过调节GABA水平进而对情绪加工处理产生影响;顾媛等[11]对大鼠进行睡眠剥夺 7 d后发现,四神聪电针可预防大鼠因连续长时间的睡眠剥夺造成的行为记忆下降,其机制可能是通过电针提高海马区的 GABA含量,这将有助于预防长时程 SD对海马区的神经元损伤。

1.3 调节多巴胺（dopamine,DA）水平

脑内DA主要起兴奋作用,且激活的多巴胺D1受体（D1receptor,D1R）能够增强海马CA1区的LTP,对维持前额叶皮层神经元结构和功能具有重要作用[15],发生SD后,大鼠海马和下丘脑内DA、D1R受体水平发生变化,表明SD可通过影响脑内DA及其受体水平使认知能力出现障碍[16]。张继红等[17]进一步研究发现,电针可明显改善SD后大鼠的学习记忆能力,其机制可能与电针提高脑干中 DA含量有关;陆雪等[18]研究发现,SD可导致脑缺血大鼠下丘脑内的DA含量升高,而耳针可通过降低下丘脑的 DA含量改善睡眠,增加脑血流量,抑制脑损伤进程。

1.4 调节5-羟色胺（5-hydroxytryptamine,5-HT）水平

通过改变5-HT的释放和摄取,5-HT及其受体水平变化可影响学习记忆能力[19],快速动眼时期SD后大鼠海马 5-HT含量明显升高,伴随着犯错率显著增加,提示海马内5-HT含量改变可能使SD大鼠中枢产生疲劳感,导致认知下降[20]。张继红等[17]观察电针对SD后学习记忆的改善情况,发现 SD后大鼠脑干内 5-HT含量显著增高,学习能力下降,但针刺后可有效降低脑干内5-HT含量,使大鼠的学习记忆能力显著提高,表明针刺改善大鼠 SD后学习记忆下降的途径之一可能与脑内5-HT下降的表达相关;顾媛等[11]也发现连续睡眠剥夺7 d可导致大鼠行为、记忆能力明显下降,而针刺可下调海马区 5-HT表达,进而缓解记忆力下降趋势,进一步验证了5-HT在针刺恢复SD后认知的重要作用。与海马等脑区不同,SD后皮质、丘脑中的5-HT的浓度下降,针刺可增加这些脑区的 5-HT合成速度,如卢岩等[21]利用疏肝调神针法,针刺百会、神门、太冲三穴后发现大鼠的皮质、丘脑内5-HT合成较睡眠剥夺后明显增加,提示 SD对大脑不同区域内的 5-HT影响具有差异性,而针灸对于异常5-HT浓度的稳态恢复具有较好的调节作用。

2 调节神经炎性反应

长期SD后,小鼠脑区内的星形胶质细胞和小胶质细胞活化,白细胞介素（interleukin,IL）-2、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor,TNF）-α等细胞炎性因子水平升高[22-25],提示SD可引起小鼠脑内神经炎症,并造成学习和记忆能力的下降[26]。吴建丽等[27]对电针后SD大鼠免疫炎性因子进行含量检测,发现电针能显著提高下丘脑内 IL-6、TNF-α水平;程少冰[28]检测 SD后血清IL-1β、IL-6和血浆TNF-α含量变化,发现针刺可使 IL-1β、TNF-α等升高,并且针刺后大鼠行为记忆以及警觉性显著提高,提示 IL-1β、TNF-α等神经炎性因子可能是针灸改善SD后认知障碍的重要机制之一,并且针刺治疗的时间越长效果越明显,这可能与 IL-1通过对神经递质的作用及其他细胞因子影响下丘脑-垂体-内分泌系统发挥作用;此外,杨柳笛[29]还通过抑制大鼠海马内小胶质细胞的活化和NLRP3炎性小体的表达来改善SD导致的大鼠认知功能障碍,提示电针可能通过发挥抗炎作用从而改善 SD导致的大鼠认知下降。

3 调节应激反应

3.1 调节氧化应激反应

睡眠减少可引起一氧化氮（nitric oxide,NO）浓度升高[30],过量NO产生的毒性物质可诱导神经细胞凋亡,同时抑制线粒体功能,产生大量自由基,引起脑神经细胞的损伤,损伤记忆[31]。吴北峰等[32-33]等从分子水平上研究电针对大鼠SD后氧化应激反应的调节作用,发现SD后大鼠脑干内的神经细胞形态被破坏、线粒体空泡变性并伴随着脑干内NO明显升高,超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）活性升高,八肽胆囊收缩素（cholecystokinin octapeptide,CCK8）含量降低,提示 SD后大鼠脑内的氧化应激明显,但经过电针治疗后,脑干网状组织内NO含量下降、CCK8含量上升、SOD活性降低、神经元细胞形态恢复正常,验证了电针对脑干内氧化应激的正向调节作用,表明电针可通过降低脑内氧化应激反应来减少 SD对大鼠的神经毒性作用。其中,NO含量下降可能与针灸的直接调节作用相关,也可能是针灸通过抑制上游CCK8含量进而抑制NO的生成,降低氧化应激反应。

3.2 调节下丘脑-垂体-肾上腺轴（hipothalamopituitary-adrenal axis,HPAA）

HPA axis是睡眠-觉醒机制的重要环节,能影响选择性注意和应激反应,也有利于信息的再现和巩固,与中枢学习记忆密切相关[34],陈桦等[35]采用针刺联合艾灸来调节SD后HPA axis相关神经递质（如促肾上腺皮质激素释放激素、促肾上腺皮质激素）、食欲素（orexin）的表达水平,发现针灸能显著降低HPA axis相关递质和Orexin的表达,其机制可能是针灸通过调控 orexin,进而调节 HPAA,从而降低应激反应性达到睡眠稳态,有利于记忆的恢复与巩固。

4 调控相关基因和脑蛋白的表达

4.1 调控脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor,BDNF）表达

BDNF是一种能诱导 LTP,对神经元可塑性具有重要作用的关键蛋白[36],但海马体、大脑皮层、小脑内的BDNF水平可随SD的方法、SD持续时间不同而发生改变[37-39]。刘雁泽[40]采用电针干预睡眠剥夺4 d后大鼠的学习记忆能力,结果表明,电针可激活海马神经元内的蛋白激酶Acβ-CREB-BDNF/酪氨酸激酶B受体信号通路,提高学习记忆能力,且腧穴配伍的疗效要优于单个腧穴;Zheng P等[41]运用镇静安神针法观察 SD 24 h和96 h后海马体BDNF mRNA水平变化,发现24 h后BDNF mRNA水平明显增高,而针灸可以有效降低BDNF mRNA水平,但SD 96 h后,BDNF mRNA水平则明显下降,而针灸干预会相对增高BDNF mRNA水平,使BDNF水平趋于正常,这提示针灸对BDNF mRNA水平具有双向调节作用。

4.2 对其他脑蛋白的调控作用

除BDNF外,突触素（synaptophysin,SYP）也参与了LTP的诱导过程,当SYP降低时,信息存储和处理能力受损[42]。Zheng P等[41]运用针刺改善 SD大鼠 SYP mRNA水平,结果显示针灸能有效缓解剥夺后的 SYP mRNA下降;此外,雷龙鸣[43]通过对 SD后大鼠海马 CA3区Bal-2、Caspase-3等凋亡因子进行检测,发现艾灸可有效提高Bal-2蛋白降低Bax蛋白以及Caspase-3蛋白,改善大鼠海马神经细胞凋亡状况,从而提高学习能力。

5 讨论

SD引起的认知功能下降与神经、生物、免疫调节密切相关,近十年关于针灸改善SD后认知状况的研究表明,针灸能通过调节神经递质如Glu、DA、5-HT、GABA等维持递质稳态;调节免疫炎性因子保护海马体和突触结构;通过基因蛋白的调控进而影响 LTP,提高认知水平,体现了针灸的多靶点治疗作用;另外,通过对相关实验类文献进行检索时发现[11,44],检测GABA、5-HT、BDNF指标时,同一类型的实验可能得到的研究指标结果相反,提示SD的时间限定、剥夺的方法和SD的受试人群可能对研究产生偏倚风险,进而使研究结果多样化,但无论何种异常,针灸在改善 SD导致认知下降时的调节效应都具有双向性,即针灸可使机体内紊乱的神经、生物、免疫环节趋于稳态,恢复机体原有的认知状态。

5.1 存在的问题

但是值得注意的是,在现今的研究中,仍存在一定的问题,①各研究间的实验方案不同,个体间存在差异,结果是否具有同质性有待于进一步验证;②上述实验中,每组实验的样本量均未超过 20,属于小样本量研究,缺乏实验研究的准确性和可靠性;③对于针灸改善SD的认知能力的研究机制,主要以动物为主,临床试验极少,且对于认知能力的改善主要集中在学习记忆方面,其他方面如执行能力、警觉等报道也较少;④SD引起认知下降的机制已经深入到多类神经递质、多类基因蛋白、信号分子通路、离子通路以及脑结构改变等方面,而针灸对于SD导致的认知下降作用机制仍不完善。

5.2 展望

针对这些问题,未来的实验（试验）方案应着重注意以下几个方面,①制定具有科学性的实验（试验）方案,将SD的时间、SD制作模型、性别等作为实验的偏倚因素,设置多组平行实验,减少实验本身原因所造成的结果偏差;②根据已有的实验结果,估算样本量,积极实施大样本量的实验研究,以确保实验结果的准确性;③充分开展有关于针灸治疗SD认知下降的临床试验,借助rs-fMRI和EEG、磁共振波谱学等现代脑影像技术,从定量和定性的角度进一步探讨脑内物质代谢水平变化、各个脑功能区内部变化以及功能区之间的连接性[45-46]。可以预见,SD导致的认知下降将是今后研究的热点,深入探索针灸治疗SD后认知下降的作用机制,将为SD后认知损伤的评价和防护提供现实理论依据,有利于进一步提升针灸预防和治疗SD认知下降的临床应用水平。