針灸改善睡眠剝奪后認知障礙的神經生物學機制研究進展

李夢琪,王洪峰,王文慧,王朝輝

（長春中醫藥大學,長春 130117）

睡眠剝奪（sleep deprivation,SD）是指由于不同原因造成的睡眠時間減少,不同程度的SD可對正常人的認知功能造成損害,導致其警覺減退、學習記憶能力下降[1-2],影響日常工作的效率以及準確性。研究表明,當正常人睡眠被剝奪 24 h以上,認知能力將下降30%～70%[3]。目前針對SD引起的認知下降尚缺乏有效的治療藥物,而針灸作為一種簡單有效的治療手段已被證明對于急慢性 SD均有良好的調節作用[4-5]。近年來,針灸在改善SD后的認知障礙機制方面取得了一定的研究成果,本文以“睡眠剝奪”“針灸”“認知”“sleep deprivation”“acupuncture”“cognition”為檢索詞,采取主題詞結合自由詞的方法,檢索中國知網、維普、萬方、CBM、Pubmed、Web of Science、Embase、Cochrane Library數據庫近十年來（2010年 6月―2020年6月）有關于針灸改善SD后認知功能障礙的文獻,具體綜述如下。

1 調節神經遞質水平

1.1 降低谷氨酸（Glutamate,Glu）水平

Glu是人腦主要的興奮性神經遞質,在維持長時程增強現象（long term potentiation,LTP）的精細調節分子過程中起著至關重要的作用,長時間SD可引起腦內 Glu水平升高[6],導致神經元興奮性降低,影響突觸可塑性[7],降低學習記憶能力。有研究表明,針刺四神聰等穴可促進腦部血液循環,促進人體對 Glu的合成與吸收,對交感神經興奮的睡眠障礙具有良好的調節作用[8]。胡震亞[9]進一步研究針刺四神聰等穴對SD大鼠的作用機制,發現針刺四神聰等穴可有效降低海馬區 Glu含量,并且針刺穴位后海馬區內的 Glu轉運體（EAAT3蛋白）增高,而針刺非穴位組則無此效應,提示針刺特定腧穴能通過調節海馬區Glu水平來改善認知能力,并且這種調節可能與 EAAT3蛋白的表達間接影響海馬內Glu水平相關;除海馬區外,針刺對下丘腦內的 Glu水平也有良好的調節作用,韋祎等[10]通過針刺臍內環穴合失眠穴方改善 PCPA睡眠剝奪模型大鼠,發現針刺組能顯著下降SD引起下丘腦內Glu的異常增高水平,從而緩解大鼠焦慮情緒,提高記憶力。

1.2 調節γ-氨基丁酸（gamma aminobutyric acid,GABA）水平

GABA與Glu相互拮抗,是腦內的主要抑制性神經遞質,與 Glu共同維持著大腦興奮抑制的相對平衡狀態。當睡眠被剝奪的時間較長時,海馬區神經元受損,GABA含量下降[11-13]。研究表明,針刺可促使皮質內GABA含量上升,再平衡興奮與抑制,減少神經元毒性損害[14],胡震亞[9]通過針刺調節睡眠剝奪7 d后大鼠發現,針刺能提高海馬腦區GABA含量并改善大鼠的躁狂情緒,提示針灸可能通過調節GABA水平進而對情緒加工處理產生影響;顧媛等[11]對大鼠進行睡眠剝奪 7 d后發現,四神聰電針可預防大鼠因連續長時間的睡眠剝奪造成的行為記憶下降,其機制可能是通過電針提高海馬區的 GABA含量,這將有助于預防長時程 SD對海馬區的神經元損傷。

1.3 調節多巴胺（dopamine,DA）水平

腦內DA主要起興奮作用,且激活的多巴胺D1受體（D1receptor,D1R）能夠增強海馬CA1區的LTP,對維持前額葉皮層神經元結構和功能具有重要作用[15],發生SD后,大鼠海馬和下丘腦內DA、D1R受體水平發生變化,表明SD可通過影響腦內DA及其受體水平使認知能力出現障礙[16]。張繼紅等[17]進一步研究發現,電針可明顯改善SD后大鼠的學習記憶能力,其機制可能與電針提高腦干中 DA含量有關;陸雪等[18]研究發現,SD可導致腦缺血大鼠下丘腦內的DA含量升高,而耳針可通過降低下丘腦的 DA含量改善睡眠,增加腦血流量,抑制腦損傷進程。

1.4 調節5-羥色胺（5-hydroxytryptamine,5-HT）水平

通過改變5-HT的釋放和攝取,5-HT及其受體水平變化可影響學習記憶能力[19],快速動眼時期SD后大鼠海馬 5-HT含量明顯升高,伴隨著犯錯率顯著增加,提示海馬內5-HT含量改變可能使SD大鼠中樞產生疲勞感,導致認知下降[20]。張繼紅等[17]觀察電針對SD后學習記憶的改善情況,發現 SD后大鼠腦干內 5-HT含量顯著增高,學習能力下降,但針刺后可有效降低腦干內5-HT含量,使大鼠的學習記憶能力顯著提高,表明針刺改善大鼠 SD后學習記憶下降的途徑之一可能與腦內5-HT下降的表達相關;顧媛等[11]也發現連續睡眠剝奪7 d可導致大鼠行為、記憶能力明顯下降,而針刺可下調海馬區 5-HT表達,進而緩解記憶力下降趨勢,進一步驗證了5-HT在針刺恢復SD后認知的重要作用。與海馬等腦區不同,SD后皮質、丘腦中的5-HT的濃度下降,針刺可增加這些腦區的 5-HT合成速度,如盧巖等[21]利用疏肝調神針法,針刺百會、神門、太沖三穴后發現大鼠的皮質、丘腦內5-HT合成較睡眠剝奪后明顯增加,提示 SD對大腦不同區域內的 5-HT影響具有差異性,而針灸對于異常5-HT濃度的穩態恢復具有較好的調節作用。

2 調節神經炎性反應

長期SD后,小鼠腦區內的星形膠質細胞和小膠質細胞活化,白細胞介素（interleukin,IL）-2、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor,TNF）-α等細胞炎性因子水平升高[22-25],提示SD可引起小鼠腦內神經炎癥,并造成學習和記憶能力的下降[26]。吳建麗等[27]對電針后SD大鼠免疫炎性因子進行含量檢測,發現電針能顯著提高下丘腦內 IL-6、TNF-α水平;程少冰[28]檢測 SD后血清IL-1β、IL-6和血漿TNF-α含量變化,發現針刺可使 IL-1β、TNF-α等升高,并且針刺后大鼠行為記憶以及警覺性顯著提高,提示 IL-1β、TNF-α等神經炎性因子可能是針灸改善SD后認知障礙的重要機制之一,并且針刺治療的時間越長效果越明顯,這可能與 IL-1通過對神經遞質的作用及其他細胞因子影響下丘腦-垂體-內分泌系統發揮作用;此外,楊柳笛[29]還通過抑制大鼠海馬內小膠質細胞的活化和NLRP3炎性小體的表達來改善SD導致的大鼠認知功能障礙,提示電針可能通過發揮抗炎作用從而改善 SD導致的大鼠認知下降。

3 調節應激反應

3.1 調節氧化應激反應

睡眠減少可引起一氧化氮（nitric oxide,NO）濃度升高[30],過量NO產生的毒性物質可誘導神經細胞凋亡,同時抑制線粒體功能,產生大量自由基,引起腦神經細胞的損傷,損傷記憶[31]。吳北峰等[32-33]等從分子水平上研究電針對大鼠SD后氧化應激反應的調節作用,發現SD后大鼠腦干內的神經細胞形態被破壞、線粒體空泡變性并伴隨著腦干內NO明顯升高,超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）活性升高,八肽膽囊收縮素（cholecystokinin octapeptide,CCK8）含量降低,提示 SD后大鼠腦內的氧化應激明顯,但經過電針治療后,腦干網狀組織內NO含量下降、CCK8含量上升、SOD活性降低、神經元細胞形態恢復正常,驗證了電針對腦干內氧化應激的正向調節作用,表明電針可通過降低腦內氧化應激反應來減少 SD對大鼠的神經毒性作用。其中,NO含量下降可能與針灸的直接調節作用相關,也可能是針灸通過抑制上游CCK8含量進而抑制NO的生成,降低氧化應激反應。

3.2 調節下丘腦-垂體-腎上腺軸（hipothalamopituitary-adrenal axis,HPAA）

HPA axis是睡眠-覺醒機制的重要環節,能影響選擇性注意和應激反應,也有利于信息的再現和鞏固,與中樞學習記憶密切相關[34],陳樺等[35]采用針刺聯合艾灸來調節SD后HPA axis相關神經遞質（如促腎上腺皮質激素釋放激素、促腎上腺皮質激素）、食欲素（orexin）的表達水平,發現針灸能顯著降低HPA axis相關遞質和Orexin的表達,其機制可能是針灸通過調控 orexin,進而調節 HPAA,從而降低應激反應性達到睡眠穩態,有利于記憶的恢復與鞏固。

4 調控相關基因和腦蛋白的表達

4.1 調控腦源性神經營養因子（brain-derived neurotrophic factor,BDNF）表達

BDNF是一種能誘導 LTP,對神經元可塑性具有重要作用的關鍵蛋白[36],但海馬體、大腦皮層、小腦內的BDNF水平可隨SD的方法、SD持續時間不同而發生改變[37-39]。劉雁澤[40]采用電針干預睡眠剝奪4 d后大鼠的學習記憶能力,結果表明,電針可激活海馬神經元內的蛋白激酶Acβ-CREB-BDNF/酪氨酸激酶B受體信號通路,提高學習記憶能力,且腧穴配伍的療效要優于單個腧穴;Zheng P等[41]運用鎮靜安神針法觀察 SD 24 h和96 h后海馬體BDNF mRNA水平變化,發現24 h后BDNF mRNA水平明顯增高,而針灸可以有效降低BDNF mRNA水平,但SD 96 h后,BDNF mRNA水平則明顯下降,而針灸干預會相對增高BDNF mRNA水平,使BDNF水平趨于正常,這提示針灸對BDNF mRNA水平具有雙向調節作用。

4.2 對其他腦蛋白的調控作用

除BDNF外,突觸素（synaptophysin,SYP）也參與了LTP的誘導過程,當SYP降低時,信息存儲和處理能力受損[42]。Zheng P等[41]運用針刺改善 SD大鼠 SYP mRNA水平,結果顯示針灸能有效緩解剝奪后的 SYP mRNA下降;此外,雷龍鳴[43]通過對 SD后大鼠海馬 CA3區Bal-2、Caspase-3等凋亡因子進行檢測,發現艾灸可有效提高Bal-2蛋白降低Bax蛋白以及Caspase-3蛋白,改善大鼠海馬神經細胞凋亡狀況,從而提高學習能力。

5 討論

SD引起的認知功能下降與神經、生物、免疫調節密切相關,近十年關于針灸改善SD后認知狀況的研究表明,針灸能通過調節神經遞質如Glu、DA、5-HT、GABA等維持遞質穩態;調節免疫炎性因子保護海馬體和突觸結構;通過基因蛋白的調控進而影響 LTP,提高認知水平,體現了針灸的多靶點治療作用;另外,通過對相關實驗類文獻進行檢索時發現[11,44],檢測GABA、5-HT、BDNF指標時,同一類型的實驗可能得到的研究指標結果相反,提示SD的時間限定、剝奪的方法和SD的受試人群可能對研究產生偏倚風險,進而使研究結果多樣化,但無論何種異常,針灸在改善 SD導致認知下降時的調節效應都具有雙向性,即針灸可使機體內紊亂的神經、生物、免疫環節趨于穩態,恢復機體原有的認知狀態。

5.1 存在的問題

但是值得注意的是,在現今的研究中,仍存在一定的問題,①各研究間的實驗方案不同,個體間存在差異,結果是否具有同質性有待于進一步驗證;②上述實驗中,每組實驗的樣本量均未超過 20,屬于小樣本量研究,缺乏實驗研究的準確性和可靠性;③對于針灸改善SD的認知能力的研究機制,主要以動物為主,臨床試驗極少,且對于認知能力的改善主要集中在學習記憶方面,其他方面如執行能力、警覺等報道也較少;④SD引起認知下降的機制已經深入到多類神經遞質、多類基因蛋白、信號分子通路、離子通路以及腦結構改變等方面,而針灸對于SD導致的認知下降作用機制仍不完善。

5.2 展望

針對這些問題,未來的實驗（試驗）方案應著重注意以下幾個方面,①制定具有科學性的實驗（試驗）方案,將SD的時間、SD制作模型、性別等作為實驗的偏倚因素,設置多組平行實驗,減少實驗本身原因所造成的結果偏差;②根據已有的實驗結果,估算樣本量,積極實施大樣本量的實驗研究,以確保實驗結果的準確性;③充分開展有關于針灸治療SD認知下降的臨床試驗,借助rs-fMRI和EEG、磁共振波譜學等現代腦影像技術,從定量和定性的角度進一步探討腦內物質代謝水平變化、各個腦功能區內部變化以及功能區之間的連接性[45-46]。可以預見,SD導致的認知下降將是今后研究的熱點,深入探索針灸治療SD后認知下降的作用機制,將為SD后認知損傷的評價和防護提供現實理論依據,有利于進一步提升針灸預防和治療SD認知下降的臨床應用水平。