第一节　睡眠的发生

相比于觉醒状态，睡眠时机体功能状态呈现一系列显著变化，表现为持续一定时间的各种有意识主动行为消失，对外界环境刺激的反应能力减弱，并且可以迅速从睡眠状态转换到觉醒状态。睡眠时脑功能状态呈现出显著的周期性变化，常被分为不同时期。

一、睡眠分期

得益于脑电技术的发展，1875年，英国生理学家Richard Caton第一次从家兔和猴的脑上记录到电活动。1929年，德国精神病学家Berger H首次记录到了人类的脑电波，并发现人类脑电波在睡眠和觉醒状态下存在显著差异，自此人们开始了客观认识睡眠的过程。1953年，美国芝加哥大学的Aserinsky和Kleitman发现婴儿在安静睡眠后出现周期性快速眼球运动。随之证明快速眼球运动时脑电波与觉醒时的类似，这一发现明确肯定了人类睡眠存在两种类型，即非快速眼球运动（non-rapid eye movement，NREM）睡眠和快速眼球运动（rapid eye movement，REM）睡眠，后者曾被称为快波睡眠（fast wave sleep）或异相睡眠（paradoxical sleep，PS）。目前，可以根据多导睡眠监测（polysomnography，PSG）、眼动图和肌电图（EMG）方法明确区分NREM睡眠与REM睡眠。

非快速眼球运动（non-rapid eye mov ement，NREM）睡眠有助于促进生长、消除疲劳及恢复体力。快速眼球运动（rapid eye movement，REM）睡眠与幼年动物神经系统的成熟关系密切，REM睡眠有利于建立新的突触联系，帮助促进和巩固记忆活动，适当比例的REM睡眠有利于促进精力的恢复。

（一）脑电波分类

根据脑电图记录的脑电频率和幅度的不同，通常可以将其分为delta（δ）、theta（θ）、alpha（α）、beta（β）和 gamma（γ）五个频率段（图 1-1）。

1.delta（δ）节律

频率范围约0.5～3.5Hz，幅度约100～200μV，在颞叶、枕叶较显著。δ节律主要出现在深睡眠或昏迷期。此时，皮质失去感觉输入，即皮质活动与丘脑活动分离。

2.theta（θ）节律

频率范围约4～7Hz，幅度约50～100μV，在颞叶、顶叶较显著。θ节律主要出现在浅睡眠期（NREM睡眠第2期）。

3.alpha（α）节律

频率范围约8～ 13Hz，幅度约30～50μV，在枕叶较显著。α节律在成人闭眼、放松的觉醒状态下出现。

4.beta（β）节律

频率范围约13～ 30Hz，幅度约30μV，在额叶、顶叶较明显。β节律主要出现于脑活动活跃状态如主动思考时。

5.gamma（γ）节律

频率范围＞30Hz，无特定幅度范围。γ节律可能与意识和知觉有关，即联系不同脑区的输入信息形成相关的概念，它是皮质 - 皮质和皮质 - 丘脑 - 皮质环路活动的反映。有证据表明，γ节律起源于快放电型的γ- 氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）能中间神经元。

（二）睡眠分期及其特征

睡眠分为NREM睡眠和REM睡眠。一般习惯根据睡眠深度的不同，将人类NREM睡眠细分为以下4期（图1-2）。

1.NREM睡眠1期

脑电图中，α波波幅普遍降低，波形不整，连续性差，后期频率可稍慢，出现低幅θ波和β波，但以θ波为主。此时，个体处于意识不清醒状态，对周围环境的注意力已经丧失。

2.NREM睡眠2期

在低幅脑电波的基础上，出现周期为100～300ms、波幅为100～300μV“纺锤波”（亦称双顶峰波、顶尖波或中央尖波）。此时，个体全身肌张力降低，几乎无眼球运动。

3.NREM睡眠3期

该期开始出现中或高幅δ波，但δ波所占比例在50%以下。肌张力进一步受抑制。此时，个体睡眠程度加深，不容易被唤醒。

4.NREM睡眠4期

该期δ波的波幅进一步增加，频率变慢且不规则，δ波所占比例超过50%。此时肌张力低下，个体处于深度睡眠，难被唤醒。

一般而言，人类NREM睡眠1～2期被称为浅NREM睡眠，NREM睡眠3～4期为深NREM 睡眠，NREM 睡眠 3～4 期又称为慢波睡眠（slow wave sleep，SWS），成年人绝大部分的深NREM睡眠出现在上半夜，而下半夜则以浅NREM睡眠为主。健康年轻成年人每天平均睡眠8小时左右，深度NREM睡眠的总时间平均不超过“全夜睡眠总时间”的15%～20%。动物的NREM睡眠不被明确区分，整个NREM睡眠基本等同于人类慢波睡眠。2007 年，美国睡眠医学会（American Academy of Sleep Medicine，AASM）经过反复研究与论证，制定了新的睡眠分期标准，新标准沿用了旧标准中有关睡眠分期的基本划分规则，但是将NREM睡眠中的3期与4期睡眠合称为第3期睡眠，不再对其进行进一步划分。

REM睡眠脑电活动呈现低波幅混合频率波以及间断出现θ波，与觉醒期的特征相似，但REM睡眠时眼电活动显著增强（50～60Hz），肌电活动显著下降甚至消失，尤其颈后及四肢肌肉的抑制更显著，呈姿势性肌张力弛缓状态，由此可以与觉醒相区别。

（三）夜间睡眠结构

健康成年人整夜的睡眠变化不大，并呈现出特定的睡眠结构，过程中NREM睡眠和REM睡眠交替发生。睡眠是从觉醒状态首先进入NREM睡眠，从1期开始，1期持续约3～7分钟，然后进入2期，2期持续约10～25分钟，接着进入3～4深睡眠期，此期从几分钟到一小时不等。深睡眠期结束后，睡眠又回到2期或1期（浅睡眠期）。然后，转入第1次REM睡眠，完成第1个睡眠周期。第1个睡眠周期的REM睡眠通常持续时间短暂，约5～10分钟。随后又顺序地从NREM睡眠开始，从浅（1、2期）—深（3～4期）—浅（1、2期），进入第2次REM睡眠（图1-3）。从一个REM睡眠至下一个REM睡眠平均相隔时间为90分钟，婴儿的时间间隔约为60分钟。一般成年人每晚约有4～6个上述周期。在整个夜间睡眠的后半程，深度NREM睡眠逐渐减少，REM睡眠时间逐渐延长。

值得注意的是，除NREM睡眠与REM睡眠的循环交替外，NREM睡眠阶段的各期与REM睡眠均可以直接转变为觉醒状态。但健康成年人不会直接由觉醒状态进入REM睡眠期，而只能先转入NREM睡眠期，再进入REM睡眠期。

二、睡眠发生机制

目前认为，觉醒、NREM睡眠和REM睡眠此三个不同脑功能状态受脑内觉醒发生系统、NREM睡眠发生系统和REM睡眠发生系统控制。觉醒、NREM睡眠和REM睡眠所构成的周期性变化是脑内各相关系统相互作用的动态平衡结果。

（一）觉醒发生系统

一般认为，觉醒状态的维持与网状结构上行激活系统及其他脑内觉醒系统活动有关。其他觉醒发生系统包括蓝斑核去甲肾上腺素能神经元系统、背缝核5- 羟色胺能神经元系统、黑质多巴胺能神经元系统、结节乳头体核组胺能神经元系统和外侧下丘脑区的促食欲素能神经元系统等。

1.脑干网状结构

网状结构（reticular formation）是由Dieter首先提出的，它是指在延髓、脑桥和中脑的被盖区内，神经纤维纵横穿行，相互交织成网状纤维束，束间有各种大小不等的细胞，灰白质交织的结构。它的活动可直接影响睡眠、觉醒和警觉等。研究表明，反复刺激正在睡眠中的猫的延髓、脑桥和中脑网状结构时，慢波很快转变为清醒时的快波。刺激外周传入神经，也可诱发同样的行为和脑电觉醒。如果破坏了中脑被盖中央区的网状结构，而未伤及周边部的特异性上行传导束，动物可进入持续性昏睡状态，脑亦呈现持续的慢波。因此认为，在脑内有一上行网状激活系统（ascending reticular activating system，ARAS），维持大脑皮质的觉醒状态。

网状结构大部分神经元的上行和下行投射可能是利用谷氨酸作为神经递质。许多麻醉药物都是通过阻断谷氨酸的传递途径发挥效应，阻断了上行网状激活系统和下行网状 - 脊髓易化系统（reticulo-spinal facilitatory system）。

2.蓝斑核去甲肾上腺素能神经元

斑核（locus coeruleus，LC）位于三叉神经中脑核的腹侧、第四脑室底与侧壁交界处的室底灰质的腹外侧区，在脑桥中上部沿界沟向上伸展到中脑下丘下缘平面。在LC的腹外侧有一中型细胞分散分布的区域，称为蓝斑下核（perilocus coeruleus alpha，peri-LCα）。LC 神经元的轴突分为升、降支，在行程中反复分支，广泛分布于脑及脊髓的各部位。LC发出的上行神经纤维经前脑、脑干，投射至大脑皮质，促发觉醒。LC神经元放电活动在觉醒期活跃，NREM睡眠时减弱，REM睡眠时停止。

3.背缝核 5.羟色胺能神经元

背缝核（dorsal raphe nucleus，DRN）（特别是中缝背核和中央上核）是脑内5- 羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）能神经元分布的主要部位。与NA能神经元一样，DRN的5-HT能神经元放电在觉醒期最为活跃，NREM睡眠时减弱，REM睡眠时停止，表明其具有促觉醒的作用。但是，5-HT能神经元的兴奋似乎与缺乏意识的觉醒状态更相关，诸如动物梳理毛发或是其他一些刻板的节律运动。它们还可能通过抑制促觉醒系统其他核团削弱大脑皮质的兴奋性。应用选择性5-HT再摄取抑制剂氟西汀，机体表现出日间思睡、夜晚活动增加、肌张力提高等复杂生理活动。

4.中脑多巴胺能神经元

中脑多巴胺（dopamine，DA）能神经元位于黑质致密部、被盖腹侧区和红核后区，其神经纤维投射到纹状体、基底前脑及皮质，对维持觉醒具有一定作用。研究发现，在觉醒和REM睡眠期可见DA能神经元的活性增加，但其活化度似乎并不随着REM-NREM睡眠周期的时相转变而变化。中脑黑质多巴胺能系统破坏后，动物仍能觉醒，但对新异刺激不再表现出探究行为。由此推测，DA对正常觉醒的作用可能是通过与其他神经递质系统相互作用而实现的。但是，外源性促进DA能神经传递的药物可能对睡眠 - 觉醒及REM-NREM睡眠周期有影响。例如，可卡因通过阻断DA和NA的再摄取、苯丙胺（安非他明）刺激DA的释放，均可以增加觉醒和减少睡眠。因此，这两种方法可以用于治疗猝倒症和DA能功能低下相关的思睡症状，如帕金森病的思睡症状。

5.脑桥 - 中脑乙酰胆碱能神经元

脑干内有两群胆碱（acetylcholine，ACh）能神经元，分别位于脑桥嘴侧、中脑尾侧的背外侧被盖核（laterodorsal tegmental nucleus，LDT）及脚桥被盖核（pedunculopontine tegmental nucleus，PPT）。两者发出的上行纤维与网状结构的投射纤维相伴行，最终向背侧延伸到丘脑及向腹侧延伸到下丘脑和基底前脑，刺激大脑皮质兴奋。LDT和PPT的神经元放电在觉醒时活跃，NREM睡眠时减弱，REM睡眠又重新活跃。免疫组化研究同样表明，ACh能神经元的c-fos基因表达在睡眠剥夺后随着REM睡眠增加而呈现反弹。但是，引起大脑皮质兴奋的ACh能神经元放电并不伴随觉醒行为的产生：脑干网状结构胆碱能系统被阿托品阻断后，动物脑电呈同步化睡眠慢波，但行为上不表现睡眠。例如，在脑桥中脑被盖给予ACh激动剂卡巴胆碱，可兴奋大脑皮质，伴随肌张力弛缓（类似于REM睡眠），但并不诱导睡眠发生。ACh通过直接兴奋中继核的烟碱受体（N受体）和毒蕈碱（M1）受体，或通过抑制含GABA的丘脑网状核神经元的毒蕈碱（M2）受体间接作用，兴奋丘脑皮质中继核，促进大脑皮质兴奋。通常，在ACh与NA介导的神经传递中存在着一种平衡，两类神经元的活性调节着觉醒状态与肌张力及REM睡眠脑皮质的兴奋性。

6.下丘脑结节乳头核组胺能神经元

中枢组胺能神经元的胞体集中在下丘脑后部的结节乳头核（tuberomammillary nucleus，TMN），其纤维广泛投射到不同脑区，同时也接受睡眠中枢——腹外侧视前区（ventrolateral preoptic area，VLPO）发出的抑制性GABA能及甘丙肽（galanin，GAL）能神经纤维支配。TMN神经元的自发性放电活动随睡眠与觉醒周期而发生频率变化。觉醒时放电频率最高，NREM睡眠期减缓，REM睡眠期中止。脑内组胺的释放也呈明显的睡眠 - 觉醒时相依赖性，清醒期的释放量是睡眠期的4倍。组胺受体分为H1、H2、H3和H4四种亚型。常见的第1代H1受体阻断药有明显的嗜睡作用。阻断H1受体或抑制组胺合成酶降低脑内组胺可诱发睡眠，利用H1受体基因敲除动物，发现H1受体是控制中途觉醒的重要受体，药物阻断H1受体，中途觉醒次数显著减少。促食欲素、EP4激动剂、H3受体拮抗剂等都可激动组胺系统而引起觉醒。

7.下丘脑促食欲素能神经元

促食欲素（orexin，又称hypocretin），是1998年发现的具有促进摄食和促醒作用的神经肽。研究表明，促食欲素能神经元主要密集地投射到LC、DRN、TMN、LDT和皮质等，下丘脑侧部的促食欲素纤维也投射到TMN，能够促进觉醒相关递质的释放，兴奋大脑皮质，减少睡眠，增加与维持清醒。同时，促食欲素能神经元作为VLPO最大的纤维传入者，通过与VLPO的交互联系，在睡眠与觉醒周期的调控中也可能发挥着重要作用。此外，顺行追踪法证明促食欲素神经元直接接受来自视交叉上核的投射。这条通路可能是昼夜节律系统参与睡眠与觉醒周期调节的解剖学基础之一。因此，中枢促食欲素系统对睡眠与觉醒的调控以及其周期性变化都起着关键的作用。

8.基底前脑

基底前脑（basal forebrain）是指端脑和间脑腹侧的一些结构。基底前脑ACh能神经元对维持大脑皮质的兴奋具有很重要的作用。它们接受来自脑干及下丘脑觉醒系统的纤维投射，进而广泛地投射到大脑皮质。电生理研究显示，基底前脑的ACh能神经元在觉醒和REM睡眠期活跃，放电频率与脑电γ波及θ波的强度呈正相关，与δ波的强度呈负相关。光遗传学实验证明，选择性兴奋这部分数量不到基底前脑细胞总数5%的ACh神经元就可以导致小鼠NREM睡眠向觉醒或REM睡眠转换。由此认为，基底前脑的ACh能神经元与觉醒和REM的产生有关。

综上所述，脑干网状结构、蓝斑核去甲肾上腺素能神经元、背缝核5- 羟色胺能神经元、中脑多巴胺能神经元、脑桥 - 中脑乙酰胆碱能神经元、下丘脑TMN组胺能神经元、促食欲素能神经元和基底前脑等众多脑区和递质系统参与了对觉醒的调控。值得一提的是，脑干和下丘脑的觉醒促进系统之间亦有广泛的纤维联系，最终上行经基底前脑（腹侧通路）和丘脑（背侧通路）达到大脑皮质，发挥其启动和维持觉醒的效应。

（二）NREM睡眠发生系统

NREM 睡眠发生系统包括下丘脑的腹外侧视前区（ventrolateral preoptic area，VLPO）和下丘脑内侧视前核（median preoptic nucleus，MPN）。其中VLPO在NREM睡眠发生中占有主导地位。丘脑、基底神经节、边缘系统部分结构和大脑皮质在NREM睡眠的诱发和维持方面也发挥一定作用。另外，脑干内背侧网状结构和孤束核可能存在NREM睡眠相关神经元。孤束核主要通过影响与睡眠发生和自主神经功能有关的边缘前脑结构的功能而发挥作用。

1.下丘脑腹外侧视前区

VLPO位于下丘脑前部视前区腹外侧，是调节睡眠的关键核团之一。在觉醒转向NREM睡眠过程中，VLPO神经元放电频率增加，VLPO的兴奋和睡眠量呈正相关。选择性破坏VLPO，睡眠量下降。

VLPO的不同区域对睡眠的影响并不相同。根据神经元分布方式不同，VLPO可分为“密集区”和“弥散区”。毁损VLPO密集区可使δ波减少60%～70%，NREM睡眠时间减少50%～60%，NREM睡眠时间与残留神经元数量呈正比。毁损VLPO弥散区可导致REM睡眠明显减少，而对NREM睡眠影响很小。

VLPO神经元发出的纤维投射到多个觉醒相关神经元及脑区。VLPO在睡眠的启动和维持过程中，主要是以抑制性的GABA、甘丙肽（galanin）作为神经递质。VLPO密集区的神经元发出神经纤维到TMN，弥散区的神经元投射神经纤维到脑干的LC和DRN。VLPO神经元也能投射到胆碱能的PPT和LDT。VLPO也接受组胺能、NA能、5-HT能神经元的纤维支配，但目前的研究尚未发现DA能神经及基底前脑、脑干的ACh能神经元纤维投射到VLPO。离体脑片电生理研究发现，NA和5-HT可直接抑制VLPO的GABA能神经元。组胺可通过中间神经元，间接抑制VLPO的GABA能神经元。睡眠中枢VLPO和主要觉醒系统之间在解剖上存在着紧密的相互联系，这种结构上的联系可能导致功能上的交互抑制，形成一个双稳态反馈环路，触发睡眠与觉醒两种稳定型模式交替出现，而避免产生中间状态。

视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN）是哺乳动物的昼夜节律中枢（详见本节“觉醒与睡眠发生系统的调节”），在睡眠 - 觉醒周期中发挥着重要的调控作用。尽管SCN至VLPO的神经投射很稀少，但最近的研究发现，SCN发出的神经纤维可通过亚室旁带（subparaventricular zone，SPZ）腹侧中继，投射纤维到下丘脑背内侧核（dorsomedial hypothalamic nucleus，DMH），DMH进而发出神经纤维投射到VLPO及下丘脑外侧促食欲素能神经元，以调节睡眠与觉醒。由此推测，SCN可能以DMH为中转站对VLPO传递睡眠节律信号。特别需强调的是，尽管VLPO是目前被公认的NREM睡眠发生核心脑区，但最近的实验表明，即使VLPO被毁损一段时间后，NREM睡眠仍然发生，这提示NREM睡眠发生机制远较人们认识的复杂。

2.基底前脑及视前区GABA能神经元

与睡眠促进相关的GABA能神经元主要分布在基底前脑、视前区（preoptic area，POA）。例如，基底前脑和POA的GABA能神经元由背侧投射纤维到下丘脑后侧促食欲素能神经元，下行纤维投射到组胺能神经元和LC的NA能神经元，促进睡眠。有别于基底前脑的ACh能和谷氨酸能神经元，基底前脑及POA的GABA能神经元在睡眠期放电明显高于觉醒期，在睡眠剥夺后的睡眠恢复期这些神经元的c-fos基因表达明显增加。以上研究提示，基底前脑及POA对于促进睡眠具有重要作用。与其他GABA能神经元不同，基底前脑及POA的GABA能神经元活性受很多觉醒性递质的影响。药理学研究显示，NA可兴奋基底前脑ACh能神经元，而抑制非ACh能神经元。基底前脑及POA的GABA能神经的兴奋性在觉醒期被NA所抑制，随着LC的NA能神经元放电减弱，GABA能神经元去抑制而活化，促进NREM睡眠。

3.丘脑的GABA能神经元

1986年，Lugaresi E等在致死性家族失眠症患者尸检中发现，丘脑前部腹侧核和内背侧核严重退变，而其他脑区仅有轻度退行性改变。由此推断，丘脑前部在睡眠调节中发挥重要作用。NREM睡眠中的纺锤波起源于丘脑。大鼠和猴的丘脑网状核中大部分是GABA能神经元。1990年，Steriade和McCarley认为NREM睡眠2期中纺锤波是丘脑网状核中GABA神经元与丘脑 - 皮质神经元之间相互作用的结果。从脑干投射到丘脑的ACh能神经纤维，可使网状核GABA能神经元超极化，并随即阻断纺锤波的发放。大脑皮质是NREM睡眠发生的执行机构，深睡期的δ波活动的幅度和数量反映大脑皮质的成熟程度，δ波的出现总是在丘脑 - 皮质神经元超极化时出现，因此任何使丘脑 - 皮质神经元去极化的因素皆可阻断δ波。

4.基底神经节、大脑皮质、边缘系统

基底神经节和大脑皮质可能也与睡眠的启动和维持有关。1972年，Vilablanca等研究发现，去除动物的皮质和纹状体，完整保留低位脑干和间脑前区，睡眠周期发生异常，NREM睡眠明显减少。此研究提示，基底神经节和大脑皮质在睡眠的诱发和维持方面可能发挥了一定作用。另外，电刺激尾状核与额叶皮质可引发皮质同步化活动和睡眠发生。毁损双侧前脑皮质可导致睡眠明显减少。破坏尾状核也会使睡眠暂时性下降。神经解剖学研究发现，下丘脑前部、视前区的睡眠相关结构与伏隔核、杏仁体等边缘前脑结构存在着联系。毁损大鼠的内侧伏隔核神经元，可导致NREM睡眠总量减少、频率降低以及REM睡眠增加。基底神经节、前脑皮质、边缘系统内相关区域参与NREM睡眠发生和维持机制目前还不清楚，有待进一步研究和证实。

综上所述，NREM睡眠发生系统主要脑区为VLPO和基底前脑、视前区、丘脑的脑区的GABA和甘丙肽神经元。但NREM睡眠发生系统尚未最后真正确定，最新的研究提示，GABA能神经元也局限分布于脑干网状结构中。睡眠期的GABA能神经元被选择性活化，进而抑制促觉醒系统的神经元。例如，尾侧延髓网状结构的GABA能神经元及甘氨酸能神经元在REM睡眠期放电活跃，其神经纤维投射到脊髓，抑制脊髓运动神经元。脑干GABA神经元亦在一定程度上参与NREM睡眠的发生。

（三）REM睡眠发生系统

REM睡眠启动的关键部位在脑干，尤其是脑桥和中脑附近的区域。通过微电极记录神经元的电位活动，在这些区域鉴定出两类神经元：一类神经元的电位活动在觉醒期间保持静止，而在REM睡眠之前和REM睡眠期间明显增加，称为REM睡眠启动（REM-on）神经元；另一类神经元则恰好相反，在觉醒期间发放频率较高，在NREM睡眠中逐渐减少，而在REM睡眠中保持静止，称为REM关闭（REM-off）神经元。

REM-on神经元主要是ACh能神经元，分布在脑桥 - 中脑连接部位的LDT、PPT。另外，peri-LCα谷氨酸能神经元近年亦被认为是REM-on神经元。REM-on神经元不仅对REM睡眠有“启动”作用，引起脑电的去同步化快波，诱发脑桥 - 膝状体 - 枕叶波（ponto-geniculooccipital，PGO）和快速眼球运动，而且还能通过传出纤维兴奋延髓巨细胞核，后者经腹外侧网状脊髓束兴奋脊髓的抑制性神经元，引起四肢肌肉松弛和肌电的完全静寂。REM-off神经元主要是5-HT能、NA能神经元，胞体位于脑干（如DRN、LC），神经纤维向大脑内广泛投射。

现在推测，脑干REM-off神经元和REM-on神经元之间的交互作用模型可能调节了REM睡眠的发生和维持。该学说认为，REM-off神经元对REM-on神经元起着抑制作用，而REM-on神经元对REM-off神经元起着兴奋作用。但这个模型仅提出了REM睡眠产生的大概机制，仍不能清楚阐明REM睡眠启动和维持详细机制。

1993年，Mallick等人提出了GABA能中间神经元参与的交互作用模型。实验发现，GABA能中间神经元及其各种受体均存在于LC核。之后的研究又肯定了GABA能中间神经元在REM睡眠期间是活跃的，它可以参与抑制LC核NA能神经元的活动（图1-4）；LC神经元上也存在着胆碱能受体和胆碱乙酰转移酶。此外，实验表明，GABA受体拮抗剂荷包牡丹碱（bicuculline）能兴奋脑干内REM-on神经元，诱发REM睡眠。由此推测，在清醒时，脑干内的GABA递质抑制REM-on神经元的活动，从而抑制REM睡眠。如GABA 受体激动剂蝇蕈醇（muscimol），能抑制中脑中央导水管灰质外侧部神经元活动，诱发REM睡眠。组织学上，中脑中央导水管灰质向peri-LCα投射GABA能神经纤维，并通过GABA抑制peri-LCα而诱导REM睡眠的发生。

另外，研究还发现，觉醒相关结构也能影响REM-on和REM-off神经元的活动，从而避免了REM睡眠在觉醒期间产生。已经知道，猫的脑干网状觉醒诱导区对REM-off神经元有着兴奋作用，而对REM-on神经元却有着抑制作用。在觉醒期间，觉醒诱导区兴奋REM-off神经元，并抑制REM-on神经元；而在REM睡眠期，GABA能REM-on神经元活动增加，抑制REM-off神经元的活动，并最终导致REM睡眠的逐渐产生。

综上所述，在REM睡眠的发生和维持机制，以及REM睡眠与NREM睡眠、REM睡眠和觉醒状态的相互转化过程中，GABA、胆碱能REM-on神经元和NA、5-HT能REM-off神经元起着十分关键的作用。它们之间存在着相互的纤维联系，彼此影响，构成了一个复杂的网络整体结构。

三、睡眠期的机体功能变化

当机体进入睡眠状态后，机体各系统的功能状态亦发生了显著变化，且具有NREM睡眠和REM睡眠不同的变化特征。

（一）睡眠期运动系统功能变化

睡眠状态下，随意运动系统（骨骼肌）处于抑制性的静止状态。在NREM睡眠期间，躯体的肌肉活动较觉醒期间有轻微的减少。在REM睡眠期间，肌肉活动则显著减少甚至消失，这主要是因为支配肌纤维的运动神经元被抑制性神经递质γ- 氨基丁酸或甘氨酸所抑制。在REM睡眠阶段，偶尔也会有短暂的肌肉收缩（如抽动或猛地拉动）发生，这些收缩过程与运动神经元被甘氨酸抑制有关。因此，突触后抑制是影响REM睡眠期间躯体肌张力消失的主要机制。大部分REM阶段，不仅存在运动神经元的抑制，而且还伴随着强烈的运动兴奋性驱动的增加，如眼球运动、面部肌肉抽动、中耳肌活动及四肢小肌肉的抽动。

（二）睡眠期内分泌功能变化

睡眠期内分泌系统有显著的变化。睡眠质量的变化与内分泌功能和代谢紊乱相关，睡眠紊乱引起或加重代谢综合征。改善睡眠质量可能对内分泌与代谢功能有积极的意义。

正常成人24小时中垂体生长激素（growth hormone，GH）分泌高峰在进入睡眠后很快出现。无论随后睡眠加强、延迟、打断还是重新诱发，睡眠起始阶段对人GH分泌往往总是一个主要的生理刺激。睡眠时大约70%的GH波动发生在慢波睡眠期，并且在GH波动时的GH分泌量与慢波睡眠持续时间之间存在正相关性。自发的觉醒打断睡眠后，GH的分泌会立即受到抑制，这可能与生长抑素的释放增加有关。

血浆促肾上腺皮质激素和 / 或皮质醇水平从早晨的峰值开始降低，且在午夜接近最低值。血浆促甲状腺激素（thyroid stimulating hormone，TSH）夜间前期开始快速上升并在睡眠开始时达到最高值，睡眠后期逐渐降低，于清晨清醒之后快速回升。

睡眠具有刺激催乳素（prolactin，PRL）分泌的作用。在正常条件下，PRL水平在中午时最低，下午出现中度增加，在睡眠发动后很快出现明显上升，最后在睡眠的中间阶段达到最高。

（三）睡眠期呼吸功能变化

当考虑睡眠期的呼吸时，稳定NREM睡眠包括固定的2期、3期与4期时段。不稳定的NREM睡眠包括1期及2期的一小段。呼吸在不稳定的NREM睡眠时表现为不规则性，这是由呼吸强度规律性地增减所构成即周期性呼吸。周期性呼吸的持续时间为10～20分钟，亦可长达60分钟。一般认为一旦睡眠时发生低氧，内源性呼吸调节机制便会引起呼吸强度的变化产生周期性呼吸，利于自我维持血氧水平。

在稳定NREM睡眠期，呼吸幅度与频率都十分规则，其呼吸变化指数在所有睡眠周期中最低。与觉醒状态相比，通气量从1期到4期睡眠逐渐降低。NREM睡眠时整个气道阻力会大大增加（达230%），此时肺的弹性与气流容受性并不改变。此外，肺泡通气在NREM睡眠时会降低，导致肺泡氧气与动脉氧气含量减少，这些变化与睡眠期代谢率降低有关。

REM睡眠时呼吸是不规则的，其特征为呼吸幅度和频率的突然变化，且有时可被持续10～30秒的中枢性呼吸暂停所打断。呼吸的不规则性与快速眼球运动的出现相关。REM睡眠时第一个眼球运动的出现导致呼吸幅度的突然降低，呼吸幅度随后会逐渐增加。有学者认为，该呼吸模式为REM睡眠所特有。通气量分析显示，与觉醒相比，正常人REM睡眠分钟通气量呈现动态降低。但是，与NREM睡眠时相比，此期通气量的变化是不一致的，可能与不同类型REM睡眠存在相关。此外，在REM睡眠时频繁发生的躯体运动可能改变通气水平。

（四）睡眠期心血管功能变化

一般来说，NREM睡眠时自主神经活动相对稳定，即血压低、心率慢、心输出量和外周血管阻力降低，有利于维持心血管系统的稳定状态。NREM睡眠时，心率变化的调节由呼吸活动与呼吸、循环中枢之间的协调而实现。

睡眠时心率极富变化性，有明显的心动过缓与心动过快。在REM睡眠期，心脏迷走神经传出纤维的活动一般呈抑制状态。

（五）睡眠期性功能变化

阴茎勃起是REM睡眠的一个特征现象，人的睡眠相关性勃起间隔85分钟发生1次，每次持续约25分钟，研究者推断睡眠时的勃起可能与REM睡眠有关，因为这两个现象的持续时间与周期十分相似。

睡眠时周期性勃起发生在所有正常健康男性中，从婴儿到老年都存在。REM睡眠时，女性也出现类似的阴蒂周期勃起与阴道血流量增加。尽管这些勃起周期在睡梦中出现，但REM睡眠勃起活动与梦的内容并无关联。

四、睡眠期精神心理活动

睡眠期间心理活动仍然存在，但与觉醒时的情况大相径庭，觉醒时的精神心理活动是自我意愿、个体与环境感觉信息相互作用的结果。在睡眠时，躯体与环境感觉信息对人的影响降到最低。睡眠过程中的精神心理活动主要表现为做梦。睡眠与梦的关系很久以来一直备受关注，直至20世纪60年代，电生理学的发展发现了睡眠类型及梦的生理指标，为睡眠与梦的研究奠定了科学基础。许多研究结果证明，做梦大多在REM睡眠期，在REM睡眠期被唤醒的睡眠者，有70%～80%人报告有梦，而在NREM睡眠期被唤醒后，只有10%～15%人报告有梦。在NREM睡眠的各期被唤醒后，即使有做梦的报告，其梦境也很平淡，生动性差，但概念和思维性较强，睡眠者常常报告在思考某些问题，而不是在做什么。噩梦或惊醒者多发生于NREM睡眠第4期，此时睡梦者醒后只能陈述恐惧感，不能陈述梦境的全部情节。在REM睡眠中，报告正在做梦者可陈述以视觉变幻为主的生动形象的梦境情节，常常还包含有怪异的声音，嗅到气味或做了某些事情，发生的事情都很真切。运用正电子发射断层成像（positron emission tomography，PET）监测脑部血流情况，发现 REM睡眠期中脑被盖、中脑核、丘脑、基底前脑和间脑结构、杏仁核和海马、内侧前额叶皮质、视觉皮质及前扣带皮质局部区域的代谢增强，眶额叶皮质、背外侧前额叶皮质、后扣带皮质、楔前叶、下顶叶皮质的活动则处于抑制状态。梦发生的解剖部位尚未确定。损伤实验发现，内侧前额叶皮质、前扣带皮质和基底前脑结构与梦发生的频率、活跃性及觉醒时对梦的记忆有关。