你相信仅仅给脑子吊“盐水”就可以让你睡着吗？最近，丹麦科学家在计算模型上验证了这一点：调节离子浓度，确实可以诱导睡眠、觉醒的转换，并指出了觉醒时神经元动态的混沌性质及其意义。
这项研究于2017年12月发表在《细胞·系统》（Cell Systems）杂志上。
在我们一半的睡眠中，大脑皮层的神经元活动会协调一致，进入活动—静息—活动的同步模式，产生低频（0.5-4Hz）的脑电波，也就是慢波。这个时候的睡眠被称为慢波睡眠，或者叫非快速动眼睡眠（NREM）。
我们入睡时，通常先进入浅慢波睡眠，随后睡眠逐渐加深（慢波越来越占优势），并间歇性地进入快速动眼睡眠（REM，通常梦境在此阶段发生），最终从睡梦中醒来。
入睡和醒来涉及一系列复杂的神经和内分泌过程，例如觉醒通常伴随着脑干网状结构上行通路的兴奋，这些通路上的神经元又向脑脊液中释放多种神经调质，例如去甲肾上腺素、组胺、血清素等，继而改变大脑皮层神经元的活动模式。
两位年轻的丹麦科学家卢恩·拉斯穆森（Rune Rasmussen）和马赛厄斯·L·赫尔特贝尔（Mathias L.Heltberg）在导师摩根·H·延森（Mogens H.Jensen）的带领下，利用计算模型探索了睡眠调控问题。他们模拟了神经元的电活动受细胞膜上的离子通道驱动，又通过神经元之间的连接回馈给自身的动态。这项研究发现，如果改变钾、钙、镁三种离子的浓度，同时调低钙（离子）依赖性钾（离子）通道（KCa）的活跃度，就可以让模型脱离慢波睡眠状态。
这与2016年发表在《科学》（Science）上的一篇报道是一致的。实际上，拉斯穆森和赫尔特贝尔所用的离子浓度正是参考了该研究。
2016年的这项研究发现，当施加去甲肾上腺素等神经调质使小鼠从慢波睡眠中醒来时，小鼠脑脊液内三种离子的浓度都发生了变化，尽管幅度不大，但是效果明显。鉴于这三种离子分别在神经元兴奋性、胞内信号传导、突触（神经元间的连接）活动中发挥着重要作用，研究者猜测，神经调质是通过影响这三种离子的胞外浓度来调节动物的睡眠和觉醒的。通过复杂的灌注设备操纵脑内离子的浓度，他们在实验中证实了自己的猜想，并记录了所谓的“睡眠离子浓度”和“觉醒离子浓度”。
拉斯穆森和赫尔特贝尔的研究则更进了一步，强调了KCa通道在睡眠-觉醒转换中的作用，因为单纯将胞外离子浓度调整到《科学》上那篇论文中报告的“觉醒”水平，不足以使模型中的慢波振荡消失，只有加上KCa通道的变化，才能让神经元保持活跃状态。
“（以往的）体外实验已经揭示了KCa通道受神经调质调控，而在体内实验中敲除（即用基因技术去除）KCa通道会造成睡眠减少，这提示了该通道在睡眠觉醒转换中的重要作用，”在接受《环球科学》采访时，拉斯穆森和赫尔特贝尔解释道，“但是，神经调质、KCa通道活动和睡眠觉醒转换间的直接联系还缺乏实验论证，还需要实验科学家进一步研究。”
许多睡眠障碍，以及一些神经退行性疾病，很可能与胞外离子浓度的细微紊乱相关，调整这些离子的浓度，也许能给遭受睡眠障碍困扰的人带来更好的睡眠。
“我们提出了一个假说：胞外离子达到特定浓度所需的时间，决定了每个人入睡需要花多长时间，”拉斯穆森和赫尔特贝尔说，“虽然目前还很难操控这些离子在细胞膜间的通透性（即改变特定离子通道的活跃度），但未来也许我们会找到方法。”
实习记者：顾金涛
本文来自：环球科学
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