Nature | 熬夜的“账本”藏在哪儿？研究人员发现大脑竟有“电压记忆”记录睡眠需求！

生物探索

2025-03-23 15:30发布于江苏科学领域创作者

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引言

你是否有过这样的体验？明明已经困倦至极，躺在床上却辗转反侧难以入眠；又或者，连续熬夜之后，即使周末睡了一整天，疲惫感依然挥之不去？我们常常用“欠下睡眠债”来形容这种状态，但大脑究竟是如何感知并记录这种对睡眠的渴望，又如何在我们清醒的时间里默默地“记账”呢？这一直是神经科学领域一个引人入胜的谜团。长久以来，研究人员提出了各种理论，试图解释睡眠压力的产生机制，从神经递质的积累到代谢废物的堆积，每一种假说都为我们理解睡眠提供了宝贵的线索。

然而，3月19日发表在《Nature》期刊上的研究“Sleep pressure accumulates in a voltage-gated lipid peroxidation memory”，为我们揭示了一个全新的、令人意想不到的机制。这项研究聚焦于果蝇的大脑，却为我们理解人类的睡眠需求打开了一扇新的大门。研究人员发现，我们的大脑中竟然存在一种基于“电压门控”的“脂质过氧化记忆 (lipid peroxidation memory)”，它就像一个隐藏在我们神经元深处的“时间记录器”，精确地追踪着我们保持清醒的时长。

这项研究的核心发现是一种名为Hyperkinetic的蛋白质，它是果蝇体内电压门控钾离子通道 (KV channels) 的一个关键亚基 (β-subunit)。令人惊讶的是，Hyperkinetic蛋白内部的一个微小的“能量分子”——烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NADPH) 辅因子，竟然扮演着“记忆存储器”的角色。当大脑活动时，一些由脂质产生的特殊信号分子，例如4-氧代-2-壬烯醛 (4-ONE)，会与这个“能量分子”发生微妙的相互作用，改变其状态，从而记录下我们清醒的“时长”。更令人兴奋的是，研究人员通过实验观察到，当果蝇被剥夺睡眠后，它们大脑中这种关键的信号分子4-ONE的水平竟然显著降低！这如同一个强有力的证据，指向脂质过氧化与睡眠需求之间的紧密联系。那么，这种精密的“电压记忆”是如何在我们的神经元中运作的？它又是如何影响我们最终的睡眠行为？

醒来多久，大脑“记得”清清楚楚！睡眠压力是如何被感知的？

我们都知道，充足的睡眠对于维持身心健康至关重要。当我们长时间保持清醒时，身体会逐渐感受到一种想要睡觉的冲动，这就是我们常说的“睡眠压力 (sleep pressure)”。这种压力会随着清醒时间的延长而不断累积，并在我们入睡后逐渐消散。但大脑是如何感知并记录这种压力的呢？

长久以来，研究人员提出了各种假说，试图解释睡眠压力的产生机制。一些研究认为，大脑中某些代谢产物的积累可能是导致睡眠压力的原因。另一些研究则关注神经递质和神经环路的变化。而这项最新的研究则将目光聚焦在一种特殊的蛋白质——电压门控钾离子通道 (voltage-gated potassium channels, KV channels) 的β亚基 (β-subunits) 上。

研究团队发现，在果蝇 (Drosophila) 的体内，一种名为“Hyperkinetic”的蛋白质，作为钾离子通道 (KV channel) 的β亚基，竟然能够形成一种动态的“脂质过氧化记忆 (lipid peroxidation memory)”。这就像大脑里有一个精密的“计时器”，默默记录着我们清醒的时间。

神奇的“氧化还原开关”：NADPH的秘密

那么，“脂质过氧化记忆”又是如何工作的呢？这要从Hyperkinetic蛋白的一个关键组成部分说起——烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH) 辅因子。NADPH在细胞中扮演着重要的“氧化还原”角色，就像一个可以进行电子传递的“开关”。

研究人员发现，当细胞膜受到某些脂质衍生的羰基化合物 (lipid-derived carbonyls) 的影响时，比如一种名为4-氧代-2-壬烯醛 (4-oxo-2-nonenal, 4-ONE) 的物质，Hyperkinetic蛋白中的NADPH会失去一对电子，发生氧化反应。这个过程就像“开关”被拨动了一下，记录下了一次“清醒事件”或者“代谢压力”。

更令人惊讶的是，这个“开关”并不是一次性的。研究表明，NADP (NADPH的氧化态) 会一直停留在KVβ的活性位点，直到细胞膜发生去极化 (membrane depolarization) 时，它才会被释放，并被新的NADPH分子替换。细胞膜的去极化通常与神经元的活动状态有关。这个过程就像给“计时器”重新上发条，为下一次的“清醒记录”做好准备。

果蝇实验揭示真相：睡眠剥夺与4-ONE的微妙关系

为了进一步验证他们的发现，研究团队在果蝇身上进行了一系列巧妙的实验。他们通过基因手段改造了果蝇，使其Hyperkinetic蛋白的功能受到影响，并观察这些果蝇的睡眠行为是否发生变化。

研究人员还利用一种名为SMALDI-MSI的技术，对果蝇大脑组织中的4-ONE水平进行了分析。他们发现，在睡眠被剥夺的果蝇大脑中，[4-ONE+GirT-H2O]+信号的强度显著降低 (P = 0.0179, Kruskal-Wallis ANOVA)。这意味着，睡眠不足可能与大脑中4-ONE水平的变化有关。虽然在半合子的 sni1 突变雄性果蝇中，这种信号的变化并不显著 (P = 0.0560)，但这仍然为脂质过氧化与睡眠压力之间的联系提供了重要的证据。

这些实验结果表明，Hyperkinetic蛋白及其NADPH辅因子参与了睡眠压力的感知和积累过程。大脑通过记录脂质过氧化的历史，来“记住”我们已经清醒了多久，从而产生对睡眠的需求。

电压门控的“记忆存储器”：神经元如何集体“汇报”睡眠需求？

那么，单个Hyperkinetic蛋白的氧化还原状态是如何转化为整个大脑的睡眠压力的呢？研究人员认为，大脑中负责诱导睡眠的神经元 (sleep-inducing neurons) 利用这种电压门控的氧化还原循环来编码它们最近的脂质过氧化历史。

每个KVβ亚基都像一个微小的“记忆单元”，其NADPH的氧化状态代表了一个“二进制”的睡眠历史信息。当大量的促睡眠神经元中的KVβ亚基都处于氧化状态时，它们就会集体“汇报”大脑已经积累了足够的睡眠压力，从而触发我们进入睡眠状态。

这种机制就像一个分布式的“记忆存储器”，通过成千上万个微小的“开关”的集体状态，来精确地记录和传递睡眠需求的信息。

熬夜的代价：不仅仅是精神不振，更可能是大脑深处的“氧化损伤”

这项研究的发现对于我们理解睡眠的本质具有重要的意义。它揭示了睡眠压力积累的一种全新的分子机制，将睡眠与细胞的氧化还原状态以及脂质代谢联系起来。

这也提醒我们，长时间熬夜不仅仅会导致精神不振、注意力下降等问题，更可能在我们的脑细胞深处留下“氧化损伤”的印记。虽然大脑具有一定的修复能力，但长期的、持续的“氧化压力”可能会对神经元的正常功能造成损害。

解码睡眠，改善健康

这项研究主要在果蝇模型中进行，但研究人员认为，类似的机制可能也存在于哺乳动物，甚至人类的大脑中。电压门控钾离子通道在神经系统中广泛存在，并且参与多种生理过程的调控。

未来，研究人员将进一步研究这种“电压门控脂质过氧化记忆”在人类睡眠调节中的作用。如果能够深入理解这一机制，我们或许可以开发出更有效的干预手段，来改善睡眠障碍，甚至预防与睡眠不足相关的神经退行性疾病。

这项研究为我们打开了一扇全新的窗户，让我们得以窥见大脑调控睡眠的复杂而精密的机制。也许在不久的将来，我们就能彻底揭开睡眠的奥秘，更好地守护我们的睡眠健康。

参考文献

Rorsman HO, Müller MA, Liu PZ, Sanchez LG, Kempf A, Gerbig S, Spengler B, Miesenböck G. Sleep pressure accumulates in a voltage-gated lipid peroxidation memory. Nature. 2025 Mar 19. doi: 10.1038/s41586-025-08734-4. Epub ahead of print. PMID: 40108451.

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