综述：从睡眠稳态到神经细胞的生物学限制

《Neuroscience Research》：From Sleep Homeostasis to Cellular Constraints in Neurons

　　中央大学综合睡眠医学国际研究所（WPI-IIIS）、筑波高等研究院（TIAR）、筑波大学，日本茨城县筑波市

摘要
睡眠是具有神经系统的动物物种中普遍存在的稳态过程。为什么动物需要睡眠这个问题一直是生物学中的核心谜题之一，至今已有数千年之久。在过去的二十年里，睡眠研究取得了重大进展，逐渐阐明了其机制和功能，从而勾勒出一个统一的框架。在本综述中，我总结了睡眠稳态研究的最新进展，重点介绍了我们自己的工作，并讨论了这些发现如何指向一个基于神经元细胞限制的更广泛框架。

1. 引言
睡眠是最基本的生物学过程之一，但也是最不为人所了解的过程之一。这种保守的行为状态在具有神经系统的所有动物中都能观察到（Cirelli和Tononi，2008年；Nath等人，2017年）。对睡眠的研究可以追溯到亚里士多德的时代，但为什么我们需要睡眠的问题仍未得到解答。幸运的是，我们现在正处于睡眠研究的一个最令人兴奋的时期，因为答案的轮廓已经开始显现。
为了回答为什么动物需要睡眠的问题，我们需要确定睡眠压力的生物学基础——这种压力在清醒状态下逐渐积累，触发睡眠的开始，并在睡眠过程中逐渐消失（Borbély等人，2016年）。传统的研究方法从两个主要方向着手解决这个问题。一种方法是寻找调节睡眠的激素物质，最初从脑脊液转移实验开始，后来确定了细胞因子、前列腺素和腺苷作为可能的介质（Pappenheimer等人，1967年；Porkka-Heiskanen等人，1997年；Urade和Hayaishi，2011年）。另一种方法是描绘表达睡眠和清醒状态的神经回路，从上升性唤醒系统到下丘脑的促睡和食欲素能稳定网络（Saper等人，2005年）。现在，睡眠-觉醒转换以及REM-NREM-觉醒切换的回路级调节已经得到了广泛研究，可以操纵促进觉醒或睡眠的神经元群体（Adamantidis等人，2007年；Scammell等人，2017年）。针对GABA能和食欲素能系统的药物开发已经带来了临床有效的治疗方法，使一些睡眠障碍变得越来越可治疗（Herring等人，2016年；Krystal等人，2003年；Rosenberg等人，2019年）。然而，尽管这些传统方法取得了很大成果，但它们主要解释了大脑状态是如何转换或调节的，而不是如何将清醒时间转化为定量稳态驱动。这一区别很重要，因为在复杂的大脑中，回路级的睡眠实现本身并不令人惊讶。一旦睡眠与行为相关联，就需要机制来定时、稳定并执行不同警觉状态之间的转换。不过，具有不同神经系统结构的动物中存在睡眠稳态这一事实表明，睡眠需求的起源可能比任何特定的哺乳动物睡眠-觉醒回路更为深远（Nath等人，2017年）。这一观点激发了寻找能够记录清醒状态细胞后果的更基本基础的探索。
在过去的十年中，该领域转向了细胞内和多尺度的视角（图1）。遗传学、磷酸蛋白质组学和计算建模已经识别出调节睡眠的激酶、磷酸酶、离子通道和突触蛋白（de Vivo等人，2017年；Diering等人，2017年；Funato等人，2016年；Kim等人，2022年；Sunagawa等人，2016年；Tatsuki等人，2016年；Wang等人，2024年；Wang等人，2018年；Yin等人，2025年；Zhou等人，2022年），而最近的研究开始将局部突触变化与宏观层面的睡眠压力指标因果联系起来（Iino和Shi，2026年；Sawada等人，2024年）。在本综述中，我沿着这一轨迹进行探讨：从分子和细胞调节到突触稳态，最后到睡眠可能源于清醒状态所施加的细胞限制这一更广泛的概念。

图1. 睡眠压力的层次化候选底物。睡眠压力可以在多个生物组织层次上进行概念化。在系统层面，通常通过皮层δ波功率来衡量；在细胞层面，通过神经元进入抑制状态的倾向来衡量；在亚细胞层面，通过突触强度的变化来衡量；在分子层面，通过磷酸化状态来衡量。

2. 睡眠需求的分子和细胞调节
前向遗传学力量的一个经典例子来自昼夜节律生物学。Konopka和Benzer发现了具有改变的昼夜节律的果蝇突变体，为时钟生物学的研究奠定了遗传学基础（Konopka和Benzer，1971年）。这项工作为后来2017年诺贝尔生理学或医学奖认可的昼夜节律钟的分子解析奠定了基础。在哺乳动物中，Takahashi和他的同事们通过前向遗传学方法发现了Clock突变体，展示了表型驱动的突变筛选在脊椎动物中的实用性（Antoch等人，1997年；Vitaterna等人，1994年）。基于EMS的前向遗传学在果蝇中成功发现了Shaker突变体，该突变体表现出显著的短睡眠表型（Cirelli等人，2005年）。致病突变是电压依赖性钾通道α亚单位的失活突变，这种通道介导快速失活的IA电流。序列同源性表明，哺乳动物的Shaker同源物包括Kv1、Kv2、Kv3和Kv4家族的α亚单位。尽管Kcna2敲除小鼠表现出的短睡眠表型不如果蝇Shaker突变体那么明显（Douglas等人，2007年），但其他钾通道突变体也表现出明显的睡眠减少（Espinosa等人，2004年）。这些发现共同表明膜兴奋性在调节睡眠持续时间和睡眠压力方面起着重要作用。我们 own的工作也得出了类似的结论。利用平均神经元模型和基于三目标CRISPR的高通量逆向遗传学，我们发现与Ca2+流入、Ca2+激活的K+传导和Ca2+/钙调蛋白依赖性激酶相关的离子通道和信号分子是睡眠持续时间的调节因子，这表明细胞内兴奋性控制是睡眠稳态的核心组成部分（Tatsuki等人，2016年；Yoshida等人，2018年）。
后来在小鼠中进行的前向遗传学研究发现，蛋白质激酶SIK3中的一个剪接突变会导致睡眠持续时间显著增加（Funato等人，2016年）。随后的遗传学和生化研究进一步强化了这种细胞内观点。SIK3信号在皮层和下丘脑兴奋性神经元中调节NREM睡眠的数量和δ波功率（Kim等人，2022年）。HDAC4/5相关的转录通路也影响每日睡眠量（Zhou等人，2022年）。CaMKII、钙调神经磷酸酶和PP2A家族磷酸酶各自对基础睡眠或稳态恢复有贡献（Wang等人，2024年；Yin等人，2025年）。同时，磷酸蛋白质组学研究表明，睡眠剥夺会导致一大批突触蛋白的累积磷酸化，而恢复睡眠可以消除许多这些变化（Brüning等人，2019年；Noya等人，2019年；Wang等人，2018年）。综合这些发现，支持一种以磷酸化为中心的观点，即清醒状态逐渐改变细胞内信号状态，而睡眠至少部分地用于重置这些状态。

3. 突触可塑性和睡眠的稳态调节
在细胞层面解释睡眠压力的一个争议性尝试是突触稳态假说。在该假说的最强形式中，它提出清醒状态与许多回路中的净突触增强有关，而睡眠则使突触强度恢复正常，从而恢复效率、稳定性和动态范围（Tononi和Cirelli，2006年）。大量研究支持这一广泛的观点。小鼠皮层的超微结构研究发现，大多数小型和中型突触在睡眠后相对于清醒状态会缩小（de Vivo等人，2017年），生化研究显示AMPA受体相关机制的状态依赖性运输与睡眠依赖性的下调一致（Diering等人，2017年）。这些观察结果使突触成为睡眠压力的一个非常可能的候选者。同时，证据从未表明每次睡眠期间每个突触都会均匀减少。一些突触似乎相对不受影响，幼年视觉皮层的长期测量表明自然睡眠和清醒状态下有相当的稳定性（Cary和Turrigiano，2021年）。
这些发现反对简单的“全局下调”观点，而是支持区域、细胞类型和突触特定的睡眠依赖性重正常化形式。
最近的一个重要进展是证明突触强度可以在体内因果调节睡眠压力（Sawada等人，2024年）。最近，Haruo Kasai的团队开发了一种突触化学遗传工具SYNCit-K，我们将其与理论建模结合起来，测试局部突触增强是否足以改变睡眠稳态。这项研究表明，在前额叶皮层神经元中增加兴奋性突触强度可以增强NREM睡眠并提高δ波功率，而数学模型预测更强的突触耦合会促进神经元进入抑制状态，从而放大慢波活动（图2）。换句话说，对突触强度的微观操作能够改变宏观层面的睡眠压力。重要的是，在视觉皮层中的相同操作并没有显著改变NREM睡眠量或δ波功率，表明突触增强的促睡效应是区域特异性的（图3）。这一结果在额叶慢波的背景下尤其有趣。人类颅内记录显示，慢波通常是局部的，并可以从内侧前额叶皮层传播到内侧颞叶结构（Nir等人，2011年），前额叶皮层长期以来被认为是睡眠慢波的主要来源（Massimini等人，2004年）。因此，前额叶突触强度与睡眠稳态之间的因果联系不仅支持突触稳态假说，还确定了一个特定的皮层位点，在该位点，依赖清醒的状态可塑性可以转化为睡眠需求的生理表达。同时，新的回路研究表明，睡眠需求也通过皮层下通路的可塑性变化转化为持续的恢复睡眠，这意味着皮层编码和皮层下执行最终必须整合（Lee等人，2025年）。

4. 清醒状态对神经元的细胞挑战
那么，如何将这些观察结果纳入一个统一的框架呢？一个简单而有用的起点是将清醒状态视为神经元不断在可塑性和反应性与稳定性和维持之间进行权衡的状态。在清醒状态下，神经元接收多样且往往不可预测的输入，实时响应这些输入，并在某些情况下通过持续修改突触强度来编码它们。通过这种方式，它们维持高水平的放电和神经调节驱动，重塑磷酸蛋白质组状态，并积累代谢和氧化还原负担。在睡眠期间，尤其是NREM睡眠期间，相同的神经元进入协调的抑制状态，减少与外部输入的相互作用，减弱或重正常化部分突触，并重置细胞内信号。在这种观点中，睡眠压力不是由一个耗尽的分子或一个疲倦的回路产生的，而是由于清醒状态逐渐将神经元推向不能保持完整性和反应性的极限。
如果这个框架有用，下一个问题就很直接：清醒状态对神经元意味着什么？在系统层面，清醒状态使感知、学习和行动成为可能。然而，在细胞层面，清醒状态可能是一种持续的兴奋性驱动状态，能量消耗增加，蛋白质磷酸化持续进行，膜和离子流挑战加剧，以及对氧化还原失衡的脆弱性增加。在长时间清醒期间出现类似睡眠的慢波、注意力散失或局部脑损伤表明，神经元可能在整个生物体入睡之前部分脱离（Findlay等人，2026年；Vyazovskiy等人，2011年）。这些局部变化与睡眠压力至少部分是神经元限制的局部表现这一观点一致。
最近的研究进一步扩展了这一观点，将氧化还原和线粒体状态纳入睡眠需求的调节。活性氧物种可能不仅仅是通过持续活动产生的有毒副产品，还可能作为反映先前清醒状态的生理信号。在果蝇中，睡眠剥夺后的单细胞分析发现，睡眠控制神经元中的线粒体呼吸和ATP合成程序对清醒历史高度敏感（Sarnataro等人，2025年）。这些发现通过表明睡眠的需求可能不仅反映了突触负荷，还反映了长时间神经元活动所带来的能量和氧化还原效应，从而拓宽了我们对睡眠机制的认识。因此，我认为睡眠需求最好被理解为神经元内部细胞约束的表现。这仍然是一种推断，而非已形成的共识。正如进化过程中经常发生的那样，最初出于必要而产生的某种机制后来可能会被重新利用为新的功能。在睡眠的背景下，与细胞不平衡（包括突触负荷）相关的约束可能最初促使了非特异性的调整，但这一过程也可能促进了记忆的巩固，更广泛地说，还有信息在睡眠期间的重组。下一个十年中的一个重要挑战将是确定那些限制持续清醒状态的机制性约束。在候选机制中，维持核的完整性可能尤为重要。

5. 结论
关于睡眠稳态的研究已经从现象学层面发展到机制层面，但决定性的概念性飞跃可能仍在前方。新出现的证据表明，睡眠需求并不仅仅是清醒时间的函数，而是体现在神经元细胞状态的变化中。突触增强、蛋白质磷酸化、氧化还原信号以及神经回路的可塑性可能各自反映了同一根本性挑战的不同方面：清醒状态具有高度的适应性和生产性，但这不能无代价地持续下去。从这个角度来看，睡眠可能是对由清醒状态下的神经元活动所施加的细胞约束的一种周期性缓解方式。

**作者贡献声明**
Shoi Shi：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原初草稿，概念化。