睡眠剝奪對(duì)學(xué)習(xí)記憶的影響及機(jī)制研究進(jìn)展

楊麗麗 張曉爽 解雅英

(1. 內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué) 研究生學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030; 2. 內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 麻醉科， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030)

睡眠對(duì)生理功能的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)至關(guān)重要。當(dāng)代社會(huì)快節(jié)奏的生活和巨大的工作壓力引起的睡眠障礙現(xiàn)象非常普遍，同時(shí)一些疾病如慢性疼痛、不寧腿綜合征和阻塞性睡眠呼吸暫停等均會(huì)導(dǎo)致睡眠不足。睡眠障礙通過(guò)損害神經(jīng)功能和發(fā)育而損傷認(rèn)知，已成為影響現(xiàn)代世界人類(lèi)健康的重要因素。睡眠剝奪(sleep deprivation， SD)會(huì)影響學(xué)習(xí)和記憶能力，又有研究表明SD對(duì)學(xué)習(xí)和記憶有益處或者無(wú)影響，然而具體機(jī)制尚未完全明確。本文將結(jié)合最新的研究成果，圍繞SD對(duì)學(xué)習(xí)記憶的不同影響及作用機(jī)制展開(kāi)論述。

1 睡眠剝奪損傷學(xué)習(xí)記憶及其機(jī)制

大量研究表明SD對(duì)學(xué)習(xí)和記憶有不良影響。動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)，24 h的總睡眠剝奪(total sleep deprivation， TSD)或快動(dòng)眼睡眠剝奪(rem sleep deprivation， RSD)會(huì)損傷動(dòng)物的空間記憶[1]、被動(dòng)回避記憶[2]、大鼠穿梭箱裝置的記憶[3]以及社會(huì)互動(dòng)記憶[2]；72 h的RSD損傷動(dòng)物新奇性相關(guān)的物體位置記憶[4]，且這種損傷作用在睡眠恢復(fù)3周后仍未逆轉(zhuǎn)。隨著SD持續(xù)時(shí)間的增加，記憶障礙表現(xiàn)更為突出。在臨床試驗(yàn)中也觀(guān)察到SD可導(dǎo)致正常人的工作記憶受損，并且有SD史的個(gè)體會(huì)表現(xiàn)出更嚴(yán)重的記憶障礙。例如彭子伊等[5]發(fā)現(xiàn)完全睡眠剝奪36 h后的健康男性大學(xué)生表現(xiàn)出客體工作記憶能力受損。王煥鳳等[6]通過(guò)對(duì)健康戰(zhàn)士進(jìn)行36 h的完全睡眠剝奪后發(fā)現(xiàn)，外顯、內(nèi)隱記憶和空間認(rèn)知能力受損，而緊隨其后的8 h恢復(fù)性睡眠(自然睡眠、口服艾司唑侖2 mg或右佐匹克隆2 mg)可有效促使記憶和空間認(rèn)知能力的恢復(fù)。

1.1 誘導(dǎo)基因組改變

Gaine等[7]使用無(wú)偏倚深度RNA測(cè)序法，研究5 h睡眠剝奪對(duì)海馬基因表達(dá)的影響，發(fā)現(xiàn)有1 146個(gè)基因出現(xiàn)了顯著失調(diào)，其中與RNA結(jié)合和加工有關(guān)的507個(gè)基因上調(diào)，與細(xì)胞粘附、樹(shù)突定位、突觸和突觸后膜相關(guān)的639個(gè)基因下調(diào)(包含激酶和磷酸酶信號(hào)通路)，陽(yáng)離子和鉀離子通道的基因轉(zhuǎn)錄和翻譯也受到明顯影響。另外該實(shí)驗(yàn)組在急性SD后給予數(shù)小時(shí)恢復(fù)睡眠，發(fā)現(xiàn)除大多數(shù)基因表達(dá)正?；?，受環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein， CREB)調(diào)控的配體獨(dú)立核受體Nr4a1保持上調(diào)，RNA剪接因子Srsf7表達(dá)顯著下降。Srsf7被證實(shí)會(huì)影響3’UTR的聚腺苷酸化，導(dǎo)致3’UTR的聚a尾部變短，聚腺苷酸化和3’UTR的長(zhǎng)度影響mRNA的穩(wěn)定性、核輸出和翻譯效率[8]。聚腺苷酸化的調(diào)節(jié)功能失調(diào)與包括神經(jīng)系統(tǒng)疾病在內(nèi)的多種疾病有關(guān)[9]。由此可見(jiàn)，SD除了影響基因表達(dá)、突觸可塑性和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)外，還可能調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子和RNA加工相關(guān)基因表達(dá)。

1.1.1 晝夜節(jié)律基因與免疫環(huán)境

晝夜節(jié)律基因和免疫環(huán)境是記憶功能的兩個(gè)決定因素。SD后晝夜節(jié)律基因的時(shí)空振蕩受到嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致其生理節(jié)律逐漸喪失，進(jìn)而影響記憶功能。同時(shí)SD影響自身免疫功能，以海馬免疫環(huán)境的改變?yōu)樘卣?。Ke等[10]對(duì)GSE33302和GSE9442數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在SD后，包括Dicer1、Xbp1、Srebf1、Crem、Top1、Sfmbt1和Naglu在內(nèi)7個(gè)晝夜節(jié)律基因以及海馬免疫環(huán)境中Na?ve B細(xì)胞、濾泡輔助T細(xì)胞、NK細(xì)胞和樹(shù)突狀細(xì)胞等四種免疫細(xì)胞發(fā)生了顯著的變化，并且兩組數(shù)據(jù)的SD模型均表現(xiàn)出記憶功能下降。晝夜節(jié)律基因和免疫細(xì)胞之間存在多種關(guān)系，其中一些已經(jīng)出現(xiàn)在其他疾病中，例如Dicer1的失活導(dǎo)致NK細(xì)胞分化功能障礙[11]、Srebf1在黑色素瘤中激活NK細(xì)胞[12]等。由此可見(jiàn)晝夜節(jié)律基因和免疫環(huán)境可互相影響，共同參與SD損傷學(xué)習(xí)記憶的過(guò)程。

1.1.2 影響晝夜節(jié)律相關(guān)蛋白表達(dá)

晝夜節(jié)律運(yùn)動(dòng)輸出周期基因與大腦和肌肉的Arnt樣蛋白1(Arnt-like protein 1 in brain and muscle， ARNTL/BMAL1)驅(qū)動(dòng)多個(gè)基因的節(jié)律性表達(dá)，包括負(fù)調(diào)控因子周期(Period，Per1/2/3)、隱花色素(cryptochrome， Cry1/2)以及調(diào)控穩(wěn)定因子Reverb和Ror[13]。睡眠剝奪對(duì)BMAL1和Cry1表達(dá)抑制的影響最強(qiáng)。 BMAL1 敲除小鼠在對(duì)新環(huán)境的習(xí)慣化[14]、背景恐懼條件反射和Morris水迷宮表現(xiàn)方面存在缺陷[15]。Snider等[16]研究表明，BMAL1敲除小鼠表現(xiàn)出情境性恐懼記憶和Morris水迷宮等海馬依賴(lài)認(rèn)知任務(wù)的障礙。侯家保等[17]也發(fā)現(xiàn)，SD大鼠空間學(xué)習(xí)記憶受損，伴隨著包括BMAL1 蛋白在內(nèi)的時(shí)鐘基因蛋白異常表達(dá)。

Homer1a是由中樞神經(jīng)系統(tǒng)即刻早期基因編碼的一種與突觸后信號(hào)相關(guān)的支架蛋白，是全腦對(duì)SD反應(yīng)中最特異的轉(zhuǎn)錄指標(biāo)，可通過(guò)影響谷氨酸受體的表達(dá)和活性，調(diào)節(jié)突觸可塑性參與學(xué)習(xí)記憶。Homer1a是睡眠不足的特異性產(chǎn)物。Maret等[18]通過(guò)原位雜交分析證實(shí)，SD后Homer1a轉(zhuǎn)錄物在皮質(zhì)及海馬區(qū)表達(dá)上調(diào)，且呈劑量依賴(lài)性。Noya等[19]研究發(fā)現(xiàn)，Homer1a過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因小鼠的海馬長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)和空間工作記憶均受損，而空間參考記憶仍保持完整。Homer1a基因表達(dá)是由結(jié)合到啟動(dòng)子區(qū)域的BMAL1基因驅(qū)動(dòng)的，在大腦中也表現(xiàn)出強(qiáng)勁的晝夜節(jié)律振蕩，表明Homer1a介導(dǎo)晝夜節(jié)律輸入和神經(jīng)元活動(dòng)之間的通信。Sato等[20]發(fā)現(xiàn)，BMAL1基因敲除后CREB的轉(zhuǎn)錄活性減弱，Homer1a的表達(dá)也降低，證實(shí)了Homer1a的基因轉(zhuǎn)錄受CREB和BMAL1協(xié)同調(diào)控。

1.2 自噬

自噬是細(xì)胞捕獲和降解其細(xì)胞質(zhì)組分的高度保守的生物學(xué)過(guò)程。SD可能導(dǎo)致海馬神經(jīng)元自噬紊亂。自噬失衡會(huì)影響雄性大鼠長(zhǎng)期空間記憶的形成[21]。Cheng等[22]研究發(fā)現(xiàn)，5天的睡眠碎片化會(huì)引起海馬體中出現(xiàn)自噬失調(diào)，提示自噬失調(diào)可能是SD背景下大腦變化和功能損害的主要啟動(dòng)者。Dai等[23]發(fā)現(xiàn)在睡眠剝奪96 h的大鼠，海馬細(xì)胞自噬相關(guān)蛋白(Beclin1、LC3和p62)表達(dá)增加，海馬線(xiàn)粒體中存在明顯的自噬小泡，線(xiàn)粒體自噬起始蛋白PINK1和Parkin的mRNA和蛋白表達(dá)均升高，表明SD在發(fā)生自噬的同時(shí)誘導(dǎo)了過(guò)度的線(xiàn)粒體自噬。在一些腦卒中的體內(nèi)和體外模型研究中發(fā)現(xiàn)，線(xiàn)粒體自噬的過(guò)度激活會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元死亡的增加[24-25]。因此，SD誘導(dǎo)的自噬及過(guò)度的線(xiàn)粒體自噬可能是引起海馬神經(jīng)元損傷進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)習(xí)記憶障礙的原因之一。Dai等[23]通過(guò)給予SD大鼠異丙酚治療后改善睡眠，發(fā)現(xiàn)海馬自噬相關(guān)和線(xiàn)粒體自噬相關(guān)蛋白均有所下降，且學(xué)習(xí)記憶能力有所改善，與給予自噬抑制劑3-MA的效果類(lèi)似。

1.3 cPKCγ-Ng信號(hào)系統(tǒng)

蛋白激酶C(protein kinases， PKC)是絲氨酸/蘇氨酸激酶家族的一員，cPKCγ是典型的PKC亞型，存在于大腦和脊髓的神經(jīng)元中。已有研究發(fā)現(xiàn)，cPKCγ與學(xué)習(xí)和記憶相關(guān)，缺乏這種亞型的小鼠(cPKCγ 敲除小鼠)表現(xiàn)出海馬依賴(lài)的短期記憶嚴(yán)重?fù)p傷[26]。神經(jīng)顆粒蛋白(neurograin， Ng)是神經(jīng)特異性突觸后蛋白鈣素蛋白家族成員，分布在特定的大腦區(qū)域，包括大腦皮層、海馬和嗅球，可被PKC磷酸化，參與長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)和長(zhǎng)時(shí)程抑制的誘導(dǎo)。Sato等[27]發(fā)現(xiàn)Ng和cPKCγ在腦發(fā)育過(guò)程中表現(xiàn)出相似的基因表達(dá)模式。張娜等[28]發(fā)現(xiàn)，大鼠海馬和前額皮層Ng和PKC mRNA表達(dá)水平隨著SD時(shí)間的延長(zhǎng)而降低， 且呈劑量依賴(lài)性。同時(shí)研究表明，SD后，cPKCγ活性、轉(zhuǎn)移到膜上的程度、Ng磷酸化水平顯著降低；而睡眠恢復(fù)可增加cPKCγ的膜轉(zhuǎn)運(yùn)水平，從而促進(jìn)cPKCγ的活化。給予cPKCγ激活劑PMA后，顯著增加了cPKCγ膜的易位，提高Ng蛋白的表達(dá)及磷酸化水平；而給予cPKCγ抑制劑H-7后cPKCγ膜的轉(zhuǎn)位和活化顯著降低，Ng蛋白的表達(dá)及磷酸化被顯著抑制[29]。這些結(jié)果表明，cPKCγ-Ng信號(hào)系統(tǒng)與RSD誘導(dǎo)的學(xué)習(xí)記憶障礙有關(guān)。

2 睡眠剝奪改善或不損傷學(xué)習(xí)記憶

與以上研究結(jié)果相反，有一系列研究表明SD不損傷學(xué)習(xí)和記憶功能，甚至對(duì)其有改善作用。Jiao等[4]研究表明，24 h SD改善了與新奇性相關(guān)的物體位置記憶，同時(shí)顯著增加了海馬突觸可塑性長(zhǎng)時(shí)程電位，包括樹(shù)突棘的增加以及海馬GluA1的表達(dá)增加；而48 h SD對(duì)物體位置記憶和海馬突觸可塑性均沒(méi)有影響。另有研究指出，24 h SD可改善雄性Wistar大鼠的空間記憶障礙[30]。也有研究指出SD不會(huì)損害老鼠Morris水迷宮任務(wù)中的空間學(xué)習(xí)[31]。

2.1 早期生長(zhǎng)應(yīng)答因子3

5-羥色胺2A受體(5-HT2AR)廣泛表達(dá)于大腦皮層，許多研究表明其在記憶的形成中發(fā)揮作用，包括促進(jìn)聯(lián)想學(xué)習(xí)[32]，發(fā)揮識(shí)別記憶[33]以及調(diào)節(jié)語(yǔ)境識(shí)別記憶[34]。早期生長(zhǎng)應(yīng)答因子3 (Egr3)是編碼與神經(jīng)元應(yīng)答有關(guān)的早期基因轉(zhuǎn)錄因子，對(duì)于介導(dǎo)神經(jīng)元發(fā)育過(guò)程中的基因表達(dá)、調(diào)節(jié)突觸的可塑性以及參與學(xué)習(xí)記憶過(guò)程發(fā)揮著重要的作用。Egr3蛋白在體內(nèi)與編碼5-HT2AR的Htr2a基因啟動(dòng)子結(jié)合，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)該基因的表達(dá)。Egr3缺陷小鼠額葉皮層5-HT2AR水平低[35]，并表現(xiàn)出聯(lián)想記憶及空間記憶的缺陷。Zhao等[36]研究發(fā)現(xiàn)，6～8 h的睡眠剝奪顯著上調(diào)小鼠額葉皮層的5-HT2AR水平，且這種誘導(dǎo)依賴(lài)于活化Egr3，由此表明，Egr3為記憶形成所必需。

2.2 紡錘波

Yuan等[37]最新研究表明，SD對(duì)不同年齡小鼠的影響不同。在年輕小鼠中，急性SD會(huì)損害記憶，降低海馬表征的靈活性，減少非快速眼動(dòng)(non-rapid eye movement， NREM)/快速眼動(dòng)(rapid eye movement， REM)σ轉(zhuǎn)換過(guò)程中紡錘波的數(shù)量；相反，在老年小鼠中SD可增強(qiáng)記憶，可能是由于急性SD改善了NREM的微結(jié)構(gòu)和海馬表征的靈活性和穩(wěn)定性。皮質(zhì)紡錘波增加樹(shù)突活動(dòng)和觸發(fā)鈣離子內(nèi)流，引發(fā)與皮質(zhì)記憶鞏固有關(guān)的突觸可塑性改變。紡錘波在銳波期間組織海馬的重放[38]，這有助于海馬記憶的鞏固。因此，老年SD動(dòng)物的記憶增強(qiáng)可能與紡錘波活動(dòng)增強(qiáng)海馬體的重放有關(guān)。

2.3 海馬BDNF

短期SD會(huì)增加大鼠海馬中腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)的水平。24 h SD提高了大鼠暴露于高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的海馬和前額葉皮層中BDNF和酪氨酸激酶B(tyrosine kinase， TrkB)的水平進(jìn)而改善記憶[30]。SD的人類(lèi)受試者表現(xiàn)出更高的BDNF水平，在注意力、反應(yīng)抑制能力和工作記憶方面表現(xiàn)正常[39]。以上一系列研究均表明，SD可以通過(guò)調(diào)節(jié)突觸可塑性相關(guān)蛋白的表達(dá)和活性調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)記憶。

3 小結(jié)

綜上，目前關(guān)于睡眠剝奪對(duì)學(xué)習(xí)記憶的影響依然存在不同的看法，文章結(jié)合最新的研究發(fā)現(xiàn)抑制過(guò)度自噬、激活cPKCγ-Ng信號(hào)通路等有望成為治療SD致學(xué)習(xí)記憶障礙的新靶點(diǎn)(圖1)。關(guān)于Egr3、紡錘體和海馬BDNF等參與改善學(xué)習(xí)記憶方面仍需進(jìn)一步研究。

圖1 睡眠剝奪對(duì)學(xué)習(xí)記憶優(yōu)劣影響的機(jī)制關(guān)系圖