杨丽丽 张晓爽 解雅英

(1. 内蒙古医科大学 研究生学院， 内蒙古 呼和浩特 010030; 2. 内蒙古医科大学附属医院 麻醉科， 内蒙古 呼和浩特 010030)

睡眠对生理功能的稳态调节至关重要。当代社会快节奏的生活和巨大的工作压力引起的睡眠障碍现象非常普遍，同时一些疾病如慢性疼痛、不宁腿综合征和阻塞性睡眠呼吸暂停等均会导致睡眠不足。睡眠障碍通过损害神经功能和发育而损伤认知，已成为影响现代世界人类健康的重要因素。睡眠剥夺(sleep deprivation， SD)会影响学习和记忆能力，又有研究表明SD对学习和记忆有益处或者无影响，然而具体机制尚未完全明确。本文将结合最新的研究成果，围绕SD对学习记忆的不同影响及作用机制展开论述。

1 睡眠剥夺损伤学习记忆及其机制

大量研究表明SD对学习和记忆有不良影响。动物研究发现，24 h的总睡眠剥夺(total sleep deprivation， TSD)或快动眼睡眠剥夺(rem sleep deprivation， RSD)会损伤动物的空间记忆[1]、被动回避记忆[2]、大鼠穿梭箱装置的记忆[3]以及社会互动记忆[2]；72 h的RSD损伤动物新奇性相关的物体位置记忆[4]，且这种损伤作用在睡眠恢复3周后仍未逆转。随着SD持续时间的增加，记忆障碍表现更为突出。在临床试验中也观察到SD可导致正常人的工作记忆受损，并且有SD史的个体会表现出更严重的记忆障碍。例如彭子伊等[5]发现完全睡眠剥夺36 h后的健康男性大学生表现出客体工作记忆能力受损。王焕凤等[6]通过对健康战士进行36 h的完全睡眠剥夺后发现，外显、内隐记忆和空间认知能力受损，而紧随其后的8 h恢复性睡眠(自然睡眠、口服艾司唑仑2 mg或右佐匹克隆2 mg)可有效促使记忆和空间认知能力的恢复。

1.1 诱导基因组改变

Gaine等[7]使用无偏倚深度RNA测序法，研究5 h睡眠剥夺对海马基因表达的影响，发现有1 146个基因出现了显著失调，其中与RNA结合和加工有关的507个基因上调，与细胞粘附、树突定位、突触和突触后膜相关的639个基因下调(包含激酶和磷酸酶信号通路)，阳离子和钾离子通道的基因转录和翻译也受到明显影响。另外该实验组在急性SD后给予数小时恢复睡眠，发现除大多数基因表达正常化外，受环磷腺苷效应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein， CREB)调控的配体独立核受体Nr4a1保持上调，RNA剪接因子Srsf7表达显著下降。Srsf7被证实会影响3’UTR的聚腺苷酸化，导致3’UTR的聚a尾部变短，聚腺苷酸化和3’UTR的长度影响mRNA的稳定性、核输出和翻译效率[8]。聚腺苷酸化的调节功能失调与包括神经系统疾病在内的多种疾病有关[9]。由此可见，SD除了影响基因表达、突触可塑性和细胞信号传导外，还可能调控转录因子和RNA加工相关基因表达。

1.1.1 昼夜节律基因与免疫环境

昼夜节律基因和免疫环境是记忆功能的两个决定因素。SD后昼夜节律基因的时空振荡受到严重干扰，导致其生理节律逐渐丧失，进而影响记忆功能。同时SD影响自身免疫功能，以海马免疫环境的改变为特征。Ke等[10]对GSE33302和GSE9442数据集进行分析发现，在SD后，包括Dicer1、Xbp1、Srebf1、Crem、Top1、Sfmbt1和Naglu在内7个昼夜节律基因以及海马免疫环境中Naïve B细胞、滤泡辅助T细胞、NK细胞和树突状细胞等四种免疫细胞发生了显著的变化，并且两组数据的SD模型均表现出记忆功能下降。昼夜节律基因和免疫细胞之间存在多种关系，其中一些已经出现在其他疾病中，例如Dicer1的失活导致NK细胞分化功能障碍[11]、Srebf1在黑色素瘤中激活NK细胞[12]等。由此可见昼夜节律基因和免疫环境可互相影响，共同参与SD损伤学习记忆的过程。

1.1.2 影响昼夜节律相关蛋白表达

昼夜节律运动输出周期基因与大脑和肌肉的Arnt样蛋白1(Arnt-like protein 1 in brain and muscle， ARNTL/BMAL1)驱动多个基因的节律性表达，包括负调控因子周期(Period，Per1/2/3)、隐花色素(cryptochrome， Cry1/2)以及调控稳定因子Reverb和Ror[13]。睡眠剥夺对BMAL1和Cry1表达抑制的影响最强。 BMAL1 敲除小鼠在对新环境的习惯化[14]、背景恐惧条件反射和Morris水迷宫表现方面存在缺陷[15]。Snider等[16]研究表明，BMAL1敲除小鼠表现出情境性恐惧记忆和Morris水迷宫等海马依赖认知任务的障碍。侯家保等[17]也发现，SD大鼠空间学习记忆受损，伴随着包括BMAL1 蛋白在内的时钟基因蛋白异常表达。

Homer1a是由中枢神经系统即刻早期基因编码的一种与突触后信号相关的支架蛋白，是全脑对SD反应中最特异的转录指标，可通过影响谷氨酸受体的表达和活性，调节突触可塑性参与学习记忆。Homer1a是睡眠不足的特异性产物。Maret等[18]通过原位杂交分析证实，SD后Homer1a转录物在皮质及海马区表达上调，且呈剂量依赖性。Noya等[19]研究发现，Homer1a过表达转基因小鼠的海马长时程增强和空间工作记忆均受损，而空间参考记忆仍保持完整。Homer1a基因表达是由结合到启动子区域的BMAL1基因驱动的，在大脑中也表现出强劲的昼夜节律振荡，表明Homer1a介导昼夜节律输入和神经元活动之间的通信。Sato等[20]发现，BMAL1基因敲除后CREB的转录活性减弱，Homer1a的表达也降低，证实了Homer1a的基因转录受CREB和BMAL1协同调控。

1.2 自噬

自噬是细胞捕获和降解其细胞质组分的高度保守的生物学过程。SD可能导致海马神经元自噬紊乱。自噬失衡会影响雄性大鼠长期空间记忆的形成[21]。Cheng等[22]研究发现，5天的睡眠碎片化会引起海马体中出现自噬失调，提示自噬失调可能是SD背景下大脑变化和功能损害的主要启动者。Dai等[23]发现在睡眠剥夺96 h的大鼠，海马细胞自噬相关蛋白(Beclin1、LC3和p62)表达增加，海马线粒体中存在明显的自噬小泡，线粒体自噬起始蛋白PINK1和Parkin的mRNA和蛋白表达均升高，表明SD在发生自噬的同时诱导了过度的线粒体自噬。在一些脑卒中的体内和体外模型研究中发现，线粒体自噬的过度激活会导致神经元死亡的增加[24-25]。因此，SD诱导的自噬及过度的线粒体自噬可能是引起海马神经元损伤进而导致学习记忆障碍的原因之一。Dai等[23]通过给予SD大鼠异丙酚治疗后改善睡眠，发现海马自噬相关和线粒体自噬相关蛋白均有所下降，且学习记忆能力有所改善，与给予自噬抑制剂3-MA的效果类似。

1.3 cPKCγ-Ng信号系统

蛋白激酶C(protein kinases， PKC)是丝氨酸/苏氨酸激酶家族的一员，cPKCγ是典型的PKC亚型，存在于大脑和脊髓的神经元中。已有研究发现，cPKCγ与学习和记忆相关，缺乏这种亚型的小鼠(cPKCγ 敲除小鼠)表现出海马依赖的短期记忆严重损伤[26]。神经颗粒蛋白(neurograin， Ng)是神经特异性突触后蛋白钙素蛋白家族成员，分布在特定的大脑区域，包括大脑皮层、海马和嗅球，可被PKC磷酸化，参与长时程增强和长时程抑制的诱导。Sato等[27]发现Ng和cPKCγ在脑发育过程中表现出相似的基因表达模式。张娜等[28]发现，大鼠海马和前额皮层Ng和PKC mRNA表达水平随着SD时间的延长而降低， 且呈剂量依赖性。同时研究表明，SD后，cPKCγ活性、转移到膜上的程度、Ng磷酸化水平显著降低；而睡眠恢复可增加cPKCγ的膜转运水平，从而促进cPKCγ的活化。给予cPKCγ激活剂PMA后，显著增加了cPKCγ膜的易位，提高Ng蛋白的表达及磷酸化水平；而给予cPKCγ抑制剂H-7后cPKCγ膜的转位和活化显著降低，Ng蛋白的表达及磷酸化被显著抑制[29]。这些结果表明，cPKCγ-Ng信号系统与RSD诱导的学习记忆障碍有关。

2 睡眠剥夺改善或不损伤学习记忆

与以上研究结果相反，有一系列研究表明SD不损伤学习和记忆功能，甚至对其有改善作用。Jiao等[4]研究表明，24 h SD改善了与新奇性相关的物体位置记忆，同时显著增加了海马突触可塑性长时程电位，包括树突棘的增加以及海马GluA1的表达增加；而48 h SD对物体位置记忆和海马突触可塑性均没有影响。另有研究指出，24 h SD可改善雄性Wistar大鼠的空间记忆障碍[30]。也有研究指出SD不会损害老鼠Morris水迷宫任务中的空间学习[31]。

2.1 早期生长应答因子3

5-羟色胺2A受体(5-HT2AR)广泛表达于大脑皮层，许多研究表明其在记忆的形成中发挥作用，包括促进联想学习[32]，发挥识别记忆[33]以及调节语境识别记忆[34]。早期生长应答因子3 (Egr3)是编码与神经元应答有关的早期基因转录因子，对于介导神经元发育过程中的基因表达、调节突触的可塑性以及参与学习记忆过程发挥着重要的作用。Egr3蛋白在体内与编码5-HT2AR的Htr2a基因启动子结合，进而驱动该基因的表达。Egr3缺陷小鼠额叶皮层5-HT2AR水平低[35]，并表现出联想记忆及空间记忆的缺陷。Zhao等[36]研究发现，6～8 h的睡眠剥夺显著上调小鼠额叶皮层的5-HT2AR水平，且这种诱导依赖于活化Egr3，由此表明，Egr3为记忆形成所必需。

2.2 纺锤波

Yuan等[37]最新研究表明，SD对不同年龄小鼠的影响不同。在年轻小鼠中，急性SD会损害记忆，降低海马表征的灵活性，减少非快速眼动(non-rapid eye movement， NREM)/快速眼动(rapid eye movement， REM)σ转换过程中纺锤波的数量；相反，在老年小鼠中SD可增强记忆，可能是由于急性SD改善了NREM的微结构和海马表征的灵活性和稳定性。皮质纺锤波增加树突活动和触发钙离子内流，引发与皮质记忆巩固有关的突触可塑性改变。纺锤波在锐波期间组织海马的重放[38]，这有助于海马记忆的巩固。因此，老年SD动物的记忆增强可能与纺锤波活动增强海马体的重放有关。

2.3 海马BDNF

短期SD会增加大鼠海马中脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)的水平。24 h SD提高了大鼠暴露于高强度运动的海马和前额叶皮层中BDNF和酪氨酸激酶B(tyrosine kinase， TrkB)的水平进而改善记忆[30]。SD的人类受试者表现出更高的BDNF水平，在注意力、反应抑制能力和工作记忆方面表现正常[39]。以上一系列研究均表明，SD可以通过调节突触可塑性相关蛋白的表达和活性调节学习记忆。

3 小结

综上，目前关于睡眠剥夺对学习记忆的影响依然存在不同的看法，文章结合最新的研究发现抑制过度自噬、激活cPKCγ-Ng信号通路等有望成为治疗SD致学习记忆障碍的新靶点(图1)。关于Egr3、纺锤体和海马BDNF等参与改善学习记忆方面仍需进一步研究。

图1 睡眠剥夺对学习记忆优劣影响的机制关系图