炉匠：与睡眠有关的神经结构（三）

图一图二补在前面两节里

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由前所述，皮层神经网络中绝大多数联系是在相邻神经细胞之间。一个兴奋细胞的动作电位会使其周围几千个兴奋细胞活动增加，在群体中产生更多的动作电位。而每个动作电位又会使周围几千个兴奋细胞更加兴奋。在清醒的时候，这个正反馈的过程可让一个很小的感觉信号迅速在皮层里形成一个兴奋点，在这兴奋点周围的突触连接又会影响更多的神经细胞，在空间上形成一个兴奋波的扩布过程（propagating waves)。这种皮层兴奋波的产生和扩布是脑皮层中动员大批神经细胞处理信息的基础，宏观上也是产生脑电和皮层诱发电位（ERP）的基础。据估计，由几个光子射入眼中产生的神经信号竟可以兴奋皮层中几十亿个神经细胞。 皮层兴奋细胞之间的巨大放大作用被抑制性神经细胞完全而有效地控制的，所以在清醒时下兴奋和抑制的力量完全相等。

图三 丘脑是大脑皮层的网关

大脑皮层紧密地与丘脑相连^[15]。丘脑是大脑皮层的“网关”，大脑皮层感觉，运动和联想等不同的区域与丘脑不同的部分（神经核团）紧密相连（图3A中不同的颜色区域）。这些丘脑核团又称“传递核团”（relaying nuclei)，分别介导视觉、听觉触觉等感觉信息进入大脑。丘脑中也分兴奋细胞和抑制细胞，所有传递核团中的神经细胞都是兴奋性的。从这些细胞投向大脑皮层的联系都是兴奋性的；而大脑皮层返回丘脑的远程联系也都是兴奋性的。这个双向都是兴奋的环路必须被抑制细胞平衡，达到兴奋／抑制的平衡。否则就会出现过度兴奋的神经科疾病（如癫痫）。担负这个抑制重任的抑制细胞组成一个薄薄的叶片结构，包裹在各传递核团之外。这个由抑制神经细胞组成叶片结构称为丘脑网状核团（thalamic reticular nucleus）（图3A）。网状核团中的抑制细胞在得到从皮层来的兴奋信号后，抑制丘脑传递核团兴奋细胞，从而使整个丘脑－皮层系统达到兴奋抑制的平衡（图3B）。与传递核团相比，丘脑网状核团只占很小的体积。丘脑网状核团内的抑制性细胞在睡眠的起始和维持中起着关键性作用^[16]。在睡眠中由网状细胞产生的睡眠波成功地阻挡从视听和体感来的信息传入大脑皮层。当丘脑网状核团的细胞由于病变而大批损失后，患者会出现永久性失眠直至死亡。

粗略地讲，睡眠和非睡眠的界限是以人是否清醒、能否感知世界和自身的存在来划定。究竟是什么机制能使人在清醒和睡眠的状态之间切换呢？研究和大量临床例证证明丘脑是切换清醒和睡眠的重要机关。

丘脑中神经细胞的活动模式在清醒和睡眠状态是完全不一样的。在清醒状态，丘脑的兴奋性细胞的活动模式为快速，连续地发放动作电位（图4上）。这些峰电位像电码一样把视觉、听觉和体感等的外界感觉信息传进大脑皮层。大脑皮层的兴奋性细胞与丘脑细胞紧密耦合，也以同样的快速连续发放模式活动来处理这些感觉信息。数以百亿的大脑神经细胞的活动以毫秒级的精确配合，综合处理各种感觉信息与大脑内在的思想。这种大规模的综合神经活动使我们感知到世界的存在以及自我意识的存在。

与此相对，在睡眠期间丘脑的神经细胞的活动状态是间歇性的成簇发放动作电位（图4B）。在这种活动模式下大批丘脑的神经细胞同步活动，失去了精确地把外界感觉传入大脑的能力^[17]。而且这种同步的成簇发放的模式也使大脑皮层兴奋性细胞出现成簇的活动，同样也失去了以毫秒级精度配合活动的能力。这样大脑皮层就失去了思想和处理感觉信息的能力，对世界的感知和自我意识随之消失。进入睡眠状态。

图四 丘脑网状核抑制细胞的活动模式决定人是清醒还是睡眠

对上述清醒／睡眠状态的切换研究较多的是浅睡期的梭状波（spindle waves） [综述见Astori et al., 2013 ]。梭状波产生的关键是在丘脑网状核团抑制型细胞上分布的两种分子开关——低阈值T型钙通道（Cav3.3)^[18]和钙激活的2型钾通道（SK2）的交替活动^[19]。在睡眠开始的阶段，随着网状核团抑制型细胞膜电位降低，Cav3.3通道被活化。引起钙离子进入细胞，并使其膜电位抬高（图4b的向上箭头）。同时由于钙离子在细胞浓度增加，活化了SK2通道，使钾离子大量内流内引起膜电位下降。这一膜电位抬高－下降过程周而复始，每个周期大约是十分之一秒^[20]。这个10赫兹左右的周期性活动就是睡眠期丘脑成簇发放模式的起源。在每个周期中膜电位高的时候细胞成簇地发放大量动作电位，而膜电位低的时候细胞不放电。

在大脑皮层和丘脑之下有五个主要的神经递质系统与维持清醒以及清醒／睡眠的转换有关。它们是乙酰胆碱，肾上腺素，五羟色胺，多巴胺和组胺酸系统。这些系统是清醒和睡眠状态互相转换的开关。它们都是通过控制皮层和丘脑的神经群体活动来实现清醒和不同睡眠状态的。这些系统将在本文第二部分逐一介绍。