大腦是如何控制「睡眠」與「清醒」轉換的？

文章摘自睡眠的科學-生命入睡、蘇醒的機制與奧秘，原作者：櫻井武(日)

入夜，人的意識被黑暗吞噬，閉上眼睛踏上前往睡眠世界的旅程。破曉，人再次睜開眼睛，從睡夢中醒來，感覺系統再次將周邊環境的信息傳遞給大腦，人的意識開始恢復。我們每天重複著入眠和清醒，但對這種「往返」並沒有過多的認識。這個意識消失又復甦的過程中，大腦內部究竟發生了何種變化？

1920年前後歐洲大陸腦炎橫行。腦炎患者呈現兩種截然相反的癥狀---昏睡與嚴重失眠。羅馬尼亞神經學病理學家康斯坦丁·馮·艾克諾默對因腦炎去世的患者進行了病理學分析，發現大腦下丘腦區（位於腦幹延長線上，是間腦的一部分）的前部發生病變就會引起失眠，而下丘腦後部發生病變則會引起昏睡症。這次發現的意義重大，直到現在昏睡性腦炎（流行性甲型腦炎）也被稱為馮·艾克諾默腦炎。

數十年後，艾克諾默的發現被證明是正確的。與清醒密切相關的食慾肽和組胺源於下丘腦後部的一種神經元，而催生睡意的睡眠中樞系統則位於下丘腦前部的前視區。

正如艾克諾默所言，下丘腦分別包含與清醒和睡眠有關的區域。這兩個區域對控制大腦清醒的神經元群產生作用，掌控著睡眠和清醒的「開關」。

下丘腦是間腦的組成部分，用以保持動物體內平衡。體內平衡是指維持一定的生理狀態。例如恆溫動物的體溫即使在外界溫度發生變化的情況下仍會保持恆溫。再如血壓、各項血液成分指標也會維持在一定的範圍內。體內平衡使得生物體內的各項機能不會隨外界環境變化而波動，這種平衡是通過下丘腦調節自律神經系統和內分泌來實現的。

實際中，動物的體溫、心跳數、血壓、呼吸頻率難以一直維持恆定，它們會隨著周邊環境變化而波動，比如人在運動和感到興奮時心跳數和血壓會上升。下丘腦可以將生物體調整到適應當前環境的最佳狀態。這種「體內動態平衡」是體內平衡概念的擴大解釋。

下丘腦負責保持體內平衡，同時也與情感波動和身體本能有密切關係，還控制睡眠和清醒，是重要的。睡眠是人體本能之一，長時間不睡覺或服用酒精及安眠藥等精神抑制性物質會破壞下丘腦體內平衡機制。

下丘腦位於腦幹正上方，下丘腦前部的視覺皮層中含有睡眠中樞---誘發睡眠的重要系統。唐斯坦丁·馮·艾克諾默發現的導致失眠的區域就是這個系統。

睡眠中樞中存在只在睡眠期放電的神經元，即睡眠神經元。這種神經元是GABA能神經元，擁有抑制性神經遞質GABA，該神經元可以強力抑制腦幹中的單胺能神經元和膽鹼能神經元。而另一方面，單胺能神經元和膽鹼能神經元控制著視覺皮層的睡眠神經元。

也就是說，誘發睡眠的系統和誘發清醒的系統相互抑制。「清醒」和「睡眠」這兩種狀態不會同時存在，而是相互轉化的，二者基本獨立。

換句話解釋就是視覺皮層的「睡眠系統」和「清醒系統」（單胺能系統和膽鹼能系統）之間的力量關係決定著大腦究竟處於睡眠狀態還是清醒狀態。