第二章　睡眠生理与心理

第一节　睡眠与觉醒节律

一、概念与历史

睡眠与觉醒节律是生物节律的一种，也是一种重要的生理节律。这一试验始于18世纪，但之后未能对生物周期作用作出认识。直至1729年，法国科学家Mairan对含羞草昼开夜闭的24小时生理节律进行了证明，并把这种节律周期与睡眠和觉醒节律相联系。当时这些试验及报告未被重视，直至几十年后，又被后人所证明。

在睡眠与觉醒节律的生物钟研究中，Aschoff贡献可能更大，首先观察和发现了昼夜体温变化。Aschoff等人观察到了午后和傍晚前体温达到最高点，凌晨4—5时为最低点，最大可相差一度，多数波动在0.5℃。在正常情况下，体温昼夜节律和睡眠与觉醒节律是同步的。但通过人为因素干扰试验，可发现他们有分离现象。从而提出睡眠与觉醒节律和体温节律既有协调性，又有独立性。

1939年，现代睡眠研究之父美国N.kleiteman教授出版了《睡眠与觉醒》一书。他1895年生，建立了世界上最早，现在也是世界最大的睡眠实验室。

1939年Ranson在损坏猴子的下丘脑侧部后，猴子就处于昏睡状态，认为下丘脑与睡眠觉醒有关，之后Hess研究认为下丘脑内存在睡眠中枢。

Aschoff等人于1962年首次以隔离的人进行睡眠与觉醒节律研究实验，他在德国一个小镇上建立了一个暗堡，使暗堡成为一个无时间环境。由于暗堡设备完善，适合试验者长期生活，又有不同的小房间，人员间可进行隔离，共有232人参加了试验，之后佛罗里达大学的Bernie Webb教授的无时间环境、睡眠与觉醒节律试验，结果都提示睡眠与觉醒节律的周期都变得比24小时更长，从而推论睡眠与觉醒节律和神经系统有关，是“人体生物钟”与“太阳钟”同步的结果。它不是习惯形成的，也不受外部环境的影响。

二、睡眠与觉醒的解剖生理学基础

早期的动物实验已经证明，脑干上行投射系统与睡眠和觉醒状态有关，其中脑干网状结构上行激活系统对于觉醒状态的维持，起着极其重要的作用。

上行投射系统可以分为特异性上行投射系统和非特异性上行投射系统。特异性上行投射系统是各种感觉传导通路的总称。各束在丘脑特异性核团换神经元后经过内囊投射到大脑皮质感觉区，产生特定的感觉，并且对于皮质有一定的激醒作用。非特异性上行投射系统是脑干网状结构的重要组成部分。由于脑干网状结构在调节皮质的兴奋性方面起着主要的激活作用，因此，基础和临床工作者习惯将上行投射系统称为上行网状激活系统。它对于睡眠与觉醒的调节途径是，感觉通路的侧支首先激活脑干网状结构，通过网状结构再影响皮质的电活动。也就是说，外周躯体感觉或直接通过脊网束或通过特异性上行投射系统的侧支进入网状结构，而激活脑干网状结构神经元活动。这种活动又通过网状上行投射纤维到达间脑，再从间脑发出纤维，广泛地投射到大脑皮质各区，对皮质施加紧张性的易化影响，为大脑皮质提供导致觉醒的基础。

在睡眠与觉醒节律的发生机制中，关于特异性上行投射系统和非特异性上行激活系统分别占有的地位，早期的观点认为，睡眠与觉醒的发生依赖于特异性上行投射系统的支持。而后来的一些实验表明情况并非如此。例如，单纯破坏中脑网状结构的头端，保留各种感觉上行的特异传导途径，则动物处于持久的昏睡状态，各种感觉都不能唤醒动物，尽管这时感觉性传入冲动完全可以沿着特异性上行投射系统途径抵达大脑皮质，但如果在中脑水平切断特异性上行投射系统，而不损坏内侧的网状结构，则动物处于觉醒状态，这时动物的脑电图呈现去同步化的低幅快波。因此，目前认为觉醒状态的维持，有赖于特异性上行投射系统传入外周各种感觉信息及脑干网状结构的上行激活系统的存在。这一认识是众多学者从大量的动物实验中得到的。

（一）特异性上行投射系统

1935年，Bremer证明在第1颈髓节段水平切断与脑联系（即保持大脑与感觉性脑神经联系）的孤立脑的标本上，其脑电呈现去同步的觉醒快波，瞳孔也处于清醒状态。如果在中脑上、下丘之间，相当于动眼神经核下方切断脑干，这时的标本称为孤立大脑。其脑电图与自然睡眠或巴比妥麻醉时的脑电图很相似，即为高波幅慢波，此时动物的瞳孔缩小成裂隙缝。Bremer认为，位于下丘和高位脊髓水平之间的脑干结构可能主动参与觉醒。在第1颈髓节段水平位置横切的孤立脑，由于多对感觉性脑神经的传入冲动未被阻断，尤其是三叉神经和前庭蜗神经的感觉冲动仍可到达大脑，从而维持动物觉醒。而在孤立大脑标本上，虽然尚有视神经和嗅神经两条传入路径把视觉和嗅觉的冲动传入大脑，但这种传入性冲动不足以达到维持觉醒的强度，所以孤立大脑标本的脑电出现了慢而波幅高的睡眠梭形波。因此，Bremer认为唤醒大脑的刺激是由特异性上行投射系统传导的，觉醒状态是由经常进入大脑皮质和间脑的传入性冲动来维持的。从功能上除去脑的传入作用使中枢兴奋性降低，是睡眠发生的直接原因。但是，三叉神经和前庭蜗神经的感觉冲动是孤立脑与孤立大脑两种标本间差异的可能性，很快被Moruzzi和Magoun的实验排除了，因为他们在脑桥中间、三叉神经前横切的标本上也观察到觉醒现象。

（二）非特异性上行投射系统

1949年，Moruzzi和Magoun采用较精细的局部损毁方法代替脑干全横切，发现当损毁仅及外侧被盖区，即仅切断特异性上行投射系统时，睡眠与觉醒节律无明显改变；但当损毁脑干中轴部位，中断网状结构向头端投射时，则可导致脑电睡眠波和行为睡眠。用高频刺激中脑网状结构能够立即让瞌睡或睡眠的动物产生行为觉醒和脑电去同步化觉醒反应。说明觉醒是由脑干网状结构广泛区域内神经元的兴奋所维持的。

以上所述的上行投射系统与睡眠和觉醒的关系，无论是强调特异性上行投射系统的传入活动，还是强调非特异性上行投射系统的兴奋性活动，其共同点都是将睡眠作为被动过程来解释，认为脑在功能上的被动去传入机制导致睡眠的发生，这种观点曾经在一段时间中占据主导地位。但是以后的研究证明了睡眠并不是觉醒状态的简单终结，而是中枢神经系统内主动的、节律性的神经过程引起的。其中最重要的依据是发现脑干内存在特定的睡眠诱导区。因此，睡眠的被动去传入的概念，逐渐被脑干主动参与睡眠控制的概念所替代。当然，这个新概念并不排除去传入的作用。

（三）上行网状抑制系统

在20世纪50年代后期，Batini等在探讨脑干网状上行激活系统（ARAS）功能时发现，网状结构的头端（是网状上行激活系统最有效的部位，位于间脑），含有为维持觉醒所必需的神经元群；而脑干尾端则包含能够诱发睡眠的特定区域，这一区域也属于网状结构。Moruzzi等用注射巴比妥类麻醉剂于脑的不同区域，进一步证实了脑干尾端的神经元是引起睡眠所必需的结构。他们将巴比妥类药物注入脑桥头端和大脑时，觉醒的猫进入睡眠，而注射到脑干尾端时猫转入清醒状态，EEG也由慢波转为低电压快波。以后的大量研究表明脑干内确实存在特定的睡眠诱导区，而位于脑桥中央水平与延脑尾端之间中线区域的细胞核团，包括中缝核、孤束核、蓝斑核以及网状结构背内侧的一些神经元。这些核团发出的上行纤维，对于脑干网状结构的上部产生抑制性的影响。近年认为，这些结构共同组成了脑干网状上行抑制系统（ARIS），ARIS与脑干网状上行激活系统（ARAS）功能的动态平衡，调节着睡眠与觉醒周期的变化。

中缝核是脑干5-羟色胺（5-HT）神经元集中的脑区，完全损毁中缝核，导致动物失眠达数天之久，非快速动眼睡眠（NREM）和快速动眼睡眠（REM）都明显减少。但中缝核头部和尾部在功能上是有区别的。Jouvet发现，单纯损毁头部，主要影响NREM睡眠，而单纯损害尾部则主要抑制REM睡眠。因此，他认为中缝核头部形成NREM睡眠，而其尾部则是诱导REM睡眠的脑区。更多的研究认为，中缝核头部、孤束核及其邻近的网状结构神经元是诱导NREM睡眠产生的脑区。有人设想它们的活动受中脑网状上行激活系统的驱动，即长时间的觉醒可使该系统活动增强，而后者又对前者起着负反馈的作用，从而诱导睡眠。

蓝斑富含去甲肾上腺素（NA）神经元。蓝斑头部神经元的轴索，经由上行纤维投射到间脑和大脑皮质，该束的损毁可使同步化EEG明显延长，而对REM睡眠没有影响，因此被认为与维持觉醒有关。选择性破坏双侧蓝斑的中后部及其邻近网状结构，可使REM睡眠大大减少乃至完全消失，但不影响NREM睡眠的驱动机制。近年认为REM睡眠的控制部位主要位于脑桥，在脑桥被盖部存在“REM睡眠-开”与“REM睡眠-关”神经元。“REM睡眠-关”神经元位于脑桥单胺类（NA、肾上腺素、5-HT）神经元比较广泛的区域（在脑桥蓝斑），“REM睡眠-开”神经元则位于脑桥的胆碱能神经元（在脑桥蓝斑下方网状结构中的蓝斑下核）。“REM睡眠-开”神经元不仅对REM睡眠有“启动”作用，而且有助于说明REM睡眠期间肌电肃静的原因。这些神经元投射至延髓的巨细胞核，再经过腹外侧网状脊髓束而投射至脊髓的运动神经元。“REM睡眠-开”神经元的发放可以兴奋抑制性巨细胞核，经过脊髓运动神经元而使四肢肌张力与肌电活动几乎完全消失。

除蓝斑外，脑干内还有一些特异的结构可能与REM睡眠有关。中脑中缝背核内大多数5-HT能神经元在觉醒时呈现最大电位发放，而在REM睡眠期间其发放大幅度下降，说明这些神经元起着抑制作用。而在REM睡眠期间，这种抑制作用终止从而导致REM睡眠及其伴随现象的出现。经动物实验研究发现，视交叉上核是产生内源性昼夜节律的神经中枢，该核团接受来自视网膜的直接输入及其来自中缝核的纤维投射。损毁该核团可使大鼠各种内源性行为和激素分泌的昼夜节律消失，包括破坏了正常情况下夜间活动、白天睡眠的行为模式。

除了以上所述的上行投射系统与睡眠和觉醒的密切关系外，丘脑网状核、下丘脑和杏仁核群也参与了睡眠与觉醒的调节。

三、睡眠与觉醒节律学说

觉醒包括行为觉醒和脑电觉醒。前者可能与中脑黑质-纹状体多巴胺递质功能有关。后者可能与蓝斑部去甲肾上腺素递质系统功能，以及脑干网状结构和皮层内部乙酰胆碱递质系统功能有关。

行为觉醒是指觉醒时的行为表现，例如对视觉、听觉、嗅觉、触觉等刺激出现的感知性、探索性、思维性、行为性、记忆性的反应，并且对刺激反应普遍增强，在动物全身处于活动状态，如肌肉的张力增高、交感系统的活动增强、副交感神经的活动减弱、基础代谢的增高、反应能力增强等表现。

脑电觉醒是指脑电图出现特征性的去同步化快波（睁眼时以P波，闭眼时以μ波为主），以及少量的θ波和δ波，觉醒脑电图超过50%以上。

由觉醒向睡眠过渡，机体许多生理机能会发生变化，并伴随着睡眠的深度而越来越明显。睡眠的深度通常是用使睡者觉醒需要的最小刺激强度（即唤醒阈）来表示，睡眠越深，唤醒阈越高。

睡眠与觉醒是一对矛盾，又是一个统一体。在正常人可维持其平衡，如果出现睡眠觉醒紊乱，就会导致睡眠质量下降、睡眠期觉醒障碍和睡眠觉醒转换障碍等。

睡眠与觉醒节律是人类生存必不可少的条件，是人和高等动物维持生命活动所必需的普遍生理现象。通常二者随昼夜的变化交替出现。但它是怎样发生的，自古以来就引起人们的很大兴趣，对它的解释也众说纷纭，但睡眠机理至今仍不十分清楚，综合国内外研究有如下几种学说。

1.太阳-地球自转学说

认为太阳的朝出夕落，对人类的睡眠起着重要的影响。睡眠24小时昼夜节律，受控于地球的自转和太阳的公转，12小时昼夜节律和地球的纬度有关，时差与地球的经度或子午线有关。由于太阳-地球自转，人们就养成日出而作，日落而息的习惯。

2.人体生物钟学说

睡眠和“生物钟”的关系是近年来研究的热门课题，研究者认为，人体存在一种内源性促眠和促醒物质，其部位可能位于下丘脑的视交叉上核。这种内源性的生物钟控制睡眠与觉醒节律。

3.双相位学说

新近的研究认为，成人的睡眠为双相位，即位于午夜2：00左右的主要睡眠峰期位和位于下午14：00左右的次要睡眠峰期位。新生儿睡眠很不规律，与多相位睡眠有关。

4.抑制扩散学说

俄国科学家Pavlov通过条件反射的研究，认为睡眠是抑制在大脑皮质的扩散，并波及皮质下中枢的结果。通过皮质-网状结构系统，抑制了网状结构的机能，即抑制扩散理论。此学说目前占主导地位。

5.上行激动受阻学说

认为睡眠是由于上行激动系统的功能在低位脑干受到对抗的结果。上行激动系统的功能降低或受到抑制。低位脑干是调节睡眠与觉醒节律相互转化的神经结构。

6.神经-化学学说

其学说认为睡眠与觉醒的节律性周期性转化可能与体液-化学因素有关。认为异相睡眠的缺乏可导致某些生化因素，如单胺类物质堆积。如5-HT的浓度减少时可以加强觉醒，而5-HT增加可发生慢波睡眠。异相睡眠与脑桥被盖部特别是蓝斑核释放神经化学因素有关。目前认为，多巴胺、去甲肾上腺素、乙酰胆碱等化学递质均与觉醒功能有关。

7.睡眠开关学说

研究认为，人的大脑中有一个主管睡眠的“开关”，当这个“开关”打开时，所有脑细胞就处于活跃状态，使人保持清醒；当这个“开关”关闭时，脑细胞处于休息状态，即进入睡眠期。这个“开关”是位于大脑深处的一个微小的细胞团，并且在解剖学上不同于其他脑细胞。但这个“开关”位于何部位，它与大脑中其他脑细胞是怎样联系的还不清楚。

8.睡眠因子学说

睡眠因子学说又称为血液中毒学说。由法国科学家Ada等最早提出。他们从处于嗜睡状态的动物体内抽取血液，然后注入正常觉醒的动物体内，很快即可引起入睡，这种睡眠促进物质为睡眠因子。

9.睡眠基因学说

美国犹他大学Jones等研究发现，人类第二条染色体hper2蛋白的基因控制睡眠及周期。

10.睡眠中枢学说

此学说由Hess提出，他是瑞士生物学家。他用特殊电板刺激大脑不同部位，当刺激到丘脑下后部时，动物即由清醒很快进入睡眠状态，认为此部位即“睡眠中枢”。

11.睡眠物质学说

1913年Pierro最先证明存在睡眠物质，在疲劳下的“催眠毒素”可产生睡眠。并通过疲劳狗的脑脊液注入不疲劳狗的脑中可引起睡眠。这种睡眠物质是一种神经性因子或体液性因子。

12.血液脑关口学说

大脑有“血液脑关口”，从觉醒到睡眠时交感神经系统紧张逐渐减弱，手温发生变化。从抑制交感神经系统入手，经猫丘脑下部电刺激，可使其睡眠。人也可用此种方法而睡眠。