第三章-睡眠与觉醒的生理机制.ppt
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1、1 想睡,想吃,想喝都受机体内在的动机的驱使,是一种本能行为。睡眠与觉醒的交替活动受人体内在生物钟节律的控制,也是脑的一种主动调节过程,脑内某些神经结构与中枢的神经递质参与了睡眠与觉醒状态的转换和维持。睡眠除了可以消除觉醒状态下工作、学习和劳动所产生的脑力和体力的疲劳之外,还可能有更为重要的生理与心理功能。第三章 睡眠与觉醒2内容提要l l睡眠类型与人类睡眠的个体发展l l睡眠的脑机制l l睡眠的功能l l睡眠与觉醒关系的失调3各种动物每天的睡眠时间,一般捕食者和安全的动物睡眠的时间较长,受攻击各种动物每天的睡眠时间,一般捕食者和安全的动物睡眠的时间较长,受攻击或危险的动物睡眠时间较短。或危险
2、的动物睡眠时间较短。犰鼬犰鼬4第一节第一节 睡眠类型与人类睡眠的个体发展睡眠类型与人类睡眠的个体发展20世纪50年代,美国芝加哥大学的克莱特曼(N.Kleitman)和阿瑟琳斯基(E.Aserinsky)在对婴儿睡眠的研究中发现,在安静相睡眠之后出现活动相睡眠,并伴随快速眼动。后来,克莱特曼和德蒙特(W.Dement)在对成人睡眠的研究中,将眼动与脑电活动模式联系起来,明确了两种睡眠的存在,即慢波睡眠和快波睡眠。5脑电图脑电图正在睡眠的被试头上安放着电极,正在睡眠的被试头上安放着电极,可以记录脑的电活动。可以记录脑的电活动。6一、慢波睡眠与快波睡眠的生理特征一、慢波睡眠与快波睡眠的生理特征 根
3、据人类睡眠时出现的脑电图(EEG),眼动图(EOG)和肌电图(MEG)的变化特征,可以将成人睡眠过程分为两个时相:慢波睡眠(slow wave sleep SWS)和快波睡眠(fast wave sleep FWS)。7 慢波睡眠又称浅睡(light sleep),非快速眼动睡眠(non-rapid-eye-movement sleep NREM)和同步睡眠(synchronized sleep);快波睡眠又称深睡(deep sleep),快速眼动睡眠(rapid-eye-movement sleep REM sleep)和异相睡眠(paradoxical sleep PS)。成年人的慢波睡眠
4、又可分为1-4个期相,它也有深浅之分。8觉醒与睡眠中常见的脑电图觉醒与睡眠中常见的脑电图次次/秒秒9觉醒与睡眠中常见的脑电图觉醒与睡眠中常见的脑电图:波(8-13次/秒),波幅为0-50微伏,在清醒闭目不思考时出现。波(14-30次/秒),是觉醒时的兴奋脑波,典型的低幅快波。波(4-7次/秒),慢波睡眠1-2期出现。波(0.5-3次/秒),波幅为20-200微伏,典型的高幅慢波,慢波睡眠3-4期出现。梭形波(大约14次/秒),为一组形似纺锤的波,在慢波2期出现。k-复合体,由一个正相波和一个负相波组成,在慢波2期出现。10放松的唤醒状态放松的唤醒状态慢睡慢睡1期期慢睡慢睡2期期慢睡慢睡3期期快
5、速眼动或异相睡眠快速眼动或异相睡眠慢睡慢睡4期期11人在清醒状态、慢波睡眠和快波睡眠时的人在清醒状态、慢波睡眠和快波睡眠时的EEG模式模式12两种类型睡眠时电生理反应的比较两种类型睡眠时电生理反应的比较 慢波睡眠快波睡眠EEG高幅慢波(同步化波)EEG低幅快波(去同步化波)EMG肌肉有一定紧张度 EMG肌肉完全松弛 EOG无明显眼动 EOG有快速眼动(50-60次/秒)13l慢波睡眠1期:波 l慢波睡眠2期:波背景上出现梭形波和k-复合体 l慢波睡眠3期:波20%-50%l慢波睡眠4期:波50%以上慢波睡眠各期主要的脑电波慢波睡眠各期主要的脑电波14二、成人整夜睡眠过程二、成人整夜睡眠过程 1
6、.1.过程过程 一夜交替一夜交替4-64-6次,平均周期约次,平均周期约9090分钟分钟 觉醒觉醒 慢波睡眠慢波睡眠 快波睡眠快波睡眠 (1 2 3 4 3 21 2 3 4 3 2)15一个成年人整夜睡眠过程的示例一个成年人整夜睡眠过程的示例睡眠与觉醒时相的交替睡眠与觉醒时相的交替睡睡眠眠期期相相16172 2、各期睡眠的时间分配、各期睡眠的时间分配:l慢波睡眠慢波睡眠 1 1期期 5 5l 2 2期期 4949l 3 3期期 8 8l 4 4期期 1414l快波睡眠快波睡眠 242418三、睡眠的生理与生化改变三、睡眠的生理与生化改变l慢波睡眠慢波睡眠l心率减慢、血压下降、呼吸率下降、吐液
7、分泌减少、基础代谢率降低;l脑温下降、全脑血流比安静时少;l肾上腺皮质激素分泌增加、生长素分泌在慢3-4出现高峰;l少数人报告有梦,内容平淡,概念性思维性强,生动性弱。19l快波睡眠快波睡眠l植物性神经系统呈现出不规则的短暂变化,表现为:心率与血压活动不平稳、脑血流量较安静时为多、脑温回升至觉醒水平,心绞痛和支气管哮喘易发;l脑桥、丘脑外侧膝状体和枕叶皮层出现周期性高幅放电,称为PGO波。在惊觉时也有,可能代表对新异刺激的反应;l80%的人报告有梦,内容生动离奇,知觉性强,视觉尤为突出。20枕叶皮层枕叶皮层丘脑外侧膝状体丘脑外侧膝状体脑桥脑桥21l概括起来说,慢波睡眠慢波睡眠是相对安静的睡眠,
8、而快波睡眠快波睡眠则是相对活跃的睡眠;快波睡眠快波睡眠时脑的活动增强,代谢率增加,植物性神经系统的自主功能增强,但由于肌紧张减弱或消失,使其“运动”功能丧失,而慢波睡眠慢波睡眠一般呈现出相反的状态。22四、人类睡眠的个体发生与发展四、人类睡眠的个体发生与发展 1 1、发生、发生:胎儿:从24-36周出现明显的觉醒与睡眠状态 24-30周出现快波睡眠 32-36周出现慢波睡眠新生儿:需要的睡眠时间很长,每天约睡16-18小 时。每昼夜觉醒-睡眠周期为5-6次。随 着婴儿的成熟,短的睡眠逐渐合成为长的睡 眠,觉醒行为逐渐集中到白天时间,而睡眠 时间则逐渐集中到夜晚。23婴儿有两种睡眠婴儿有两种睡眠
9、:活动相睡眠(有眼动、体动,呼吸不规则,有自发性吮吸动作)=成人的快波睡眠 安静相睡眠(无眼动、体动,呼吸规则)=成人的慢波睡眠242、发展:、发展:(1)总睡眠时间随年龄增长逐渐减少,在生命早期的变化尤其明显。成人的睡眠时间相对稳定,老年人的睡眠时间又再度减少。(2)快波睡眠在生命早期的时间和比例均高,其后迅速下降。成年人快波睡眠一夜平均为100分钟,约占总睡眠时间的20%。(3)慢波睡眠的时间随年龄增长减少得不明显,但慢波睡眠4期有显著减少,尤其在老年。(4)EEG的波活动随年龄的增长逐渐增加,波活动随年龄的增长而逐渐减少。3-5岁儿童的波不到10分钟/小时,老年人超过了20分钟/小时;3
10、-5岁儿童的波超过了40-50分钟/小时,而老年人仅为10分钟/小时。2526婴儿婴儿儿童儿童新生儿新生儿青少年青少年成年成年老年老年人类睡眠的个体发展式样27第二节第二节 睡眠的脑机制睡眠的脑机制17世纪,人们才开始研究睡眠的脑机制。早期的理论认为睡眠是一种被动的过程。近期,研究者开始深入到脑的内部,发现睡眠不是觉醒状态的简单终结,而是中枢神经系统内发生的一个主动过程。睡眠与觉醒状态的发生和维持与脑干的网状激活系统及其它一些脑区域的神经控制有密切的关系,同时也与脑内神经化学递质的动态变化有密切关系。本部分将主要讨论睡眠的神经与化学机制,并对内源性睡眠肽的研究成果作简单介绍。28一、巴甫洛夫的
11、睡眠理论一、巴甫洛夫的睡眠理论 1.1.要点:要点:睡眠的本质是起源于大脑皮层广泛扩散的内抑制;这种抑制在皮层中和皮层下脑结构扩散中存在一定的时相,构成了从觉醒到完全睡眠的过渡,即催眠相;而梦是由于内外环境因素的影响,在普遍抑制的背景上大脑皮层细胞群局部兴奋活动的结果。29 2.2.催眠相与精神病的病理催眠相与精神病的病理:在正常清醒状态下,条件反射的强弱与刺激强度间存在着一定的关系,但从清醒到睡眠的过渡期内,这种强度关系发生了改变。根据强度关系的不同,巴甫洛夫将催眠相分为正常相、均等相、反常相、超反常相和抑制相等5个时相。30正常相正常相:强刺激引出强反应,弱刺激引出弱反应,阴性刺激不引起反
12、应。均等相均等相:强刺激和弱刺激引起同样的反应,阴性刺激不引起反应。反常相反常相:强刺激引出弱反应,弱刺激引出强反应,阴性刺激不引起反应。超反常相超反常相:无论强刺激还是弱刺激均不引起反应,而阴性刺激却引起反应。抑制相抑制相:各种刺激均不引起反应,机体进入完全的睡眠状态。31 3.3.评价评价:阐明了睡眠发展过程中脑的宏观生理机制,并可解释一些与睡眠有关的精神病理现象。但由于形成于20世纪10-20年代,历史的局限性使其不可能从细胞和分子水平上揭露睡眠的本质。32二、脑干网状结构的作用二、脑干网状结构的作用 1、电生理技术发现,刺激脑干网状结构会引起动物的觉醒反应。已有资料证实,无论是外部刺激
13、还是感觉通路的电刺激,均沿着传入通路的侧支引起脑干网状结构的兴奋,然后再引起大脑皮层的广泛区域觉醒反应。因此,脑干上部的网状结构称为网状上行激活系统(ascending reticular activating system,ARAS)。这一系统中神经元的单位发放水平与行为的觉醒水平、脑电图的觉醒水平之间存在明确的一致关系。33感觉感觉传入传入上行上行激活系统激活系统34 2、20世纪60年代以来,研究者采用脑横断法进行的一系列实验表明,脑干在睡眠与觉醒的调节中有重要作用:(1)脑干后端横切脑(孤立头标本),动物保持正常的觉醒与睡眠状态。(2)脑干中部(桥脑中部)横断脑,动物几乎都处于觉醒状态
14、,提示脑干网状结构后部控制睡眠。(3)脑干以上(中脑四叠体中部)横断脑(孤立脑标本)后,动物处于永久睡眠状态,提示脑干网状结构前部控制觉醒。3536 3、脑干上部与下部分别麻醉的实验表明,上部麻醉后动物陷入睡眠状态,说明脑干上部对觉醒是重要的;下部麻醉后动物很快醒来,说明脑干下部对睡眠是必要的。37三、睡眠的脑机制三、睡眠的脑机制 睡眠与觉醒调节的脑机制示意图(下页)38觉醒觉醒慢波睡眠快波睡眠脑干网状上行激活系统蓝斑核小细胞产生NE视交叉上核松果体褪黑激素中缝核5-HT慢波睡眠慢波睡眠GABA受体,睡眠肽慢波睡眠慢波睡眠快波睡眠的开启、脑电的去同步快波睡眠的开启、脑电的去同步眼动、眼动、PG
15、O波和肌张力消失波和肌张力消失(桥脑和延脑网状大细胞,外侧膝状体神经元和蓝斑核内或周边的Ach神经元)快波睡眠关闭快波睡眠关闭(蓝斑核小细胞NE神经元)39大脑皮层大脑皮层视交叉上核视交叉上核 视交叉视交叉 下丘脑下丘脑 松果体松果体40蓝斑核蓝斑核41四、内源性睡眠肽物质的研究四、内源性睡眠肽物质的研究 早在100多年前,人们就发现巴比妥酸类的物质有催眠作用。1910年,法国生理学家的皮龙首次发现在被剥夺睡眠狗的脑脊液中有诱导睡眠物质的积累,因为将被剥夺睡眠狗的脑脊液抽取出来,注入正常狗的脑室,会引起受体狗睡眠。421963年,蒙尼尔(M.Monnier)用交叉循环法交叉循环法(电刺激丘脑引
16、起家兔睡眠,将睡眠家兔的静脉血管与另一只觉醒家兔的静脉血管相连接)和脑匀浆透析法脑匀浆透析法对家兔研究发现,电刺激丘脑睡眠中枢引起家兔睡眠可能产生某种诱导睡眠的内源物质,通过神经体液传递引起受体家兔EEG的波明显增加,出现慢波睡眠。431972年,蒙尼尔终于确定了电刺激睡眠中枢产生的诱导睡眠(慢波睡眠)的物质是一种9肽,称为“-诱 导 睡 眠 肽”(delta sleep inducing peptide DSIP)。这是目前为止唯一搞清了化学结构的内源性睡眠物质。蒙尼尔等证明,人工合成的DSIP只有在第5位天门冬氨酸的氨基在位时才具有和天然DSIP相同的生理活性,如果在位上则无效。我国的生理
17、学家刘世熠合成了DSIP第5位天门冬氨酸被苯丙氨酸取代的同系物,证明也具有生理活性。441965-1980年,哈佛大学医学院的帕彭海摩尔(J.R.Pappenheimer)在睡眠剥夺的山羊的脑脊液中提取出了一种称为睡眠因子的化学物质(S因子,Factor Sleep),将其注入山羊、兔和大鼠的脑室后可使受体动物入睡。其分子量在350-500之间,是一种多肽,其作用持续时间可达10个小时,发生最大作用的时间在注入脑室后2小时。45 这个实验室从3000升人尿中提取了百万分之七克的睡眠因子,足够使500只家兔各产生6小时的慢波睡眠。经化学分析它是二氨基酸,通常是人肠道内细菌代谢产物。46第三节第三
18、节 睡眠的功能睡眠的功能 对于睡眠的功能,广泛接受的理论是“恢复”和“休息”的理论。然而,多方面的研究结果显示,睡眠是动物长期进化的一种适应性行为,也是一种本能性行为。睡眠除了有恢复和休息的功能之外,还对脑的发育、记忆信息在脑内的加工、激素的分泌,以及身心健康维持有重要作用。47一、睡眠剥夺一、睡眠剥夺 1 1、睡眠剥夺实验、睡眠剥夺实验 睡眠剥夺实验是在实验室中借助于一定的生理和行为控制手段,对动物或人的夜间睡眠过程进行剥夺的实验。全部睡眠剥夺不允许被试睡眠;部分睡眠剥夺只允许被试部分时间睡眠,如上半夜或下半夜睡眠;选择性睡眠剥夺只允许被试有某个时相的睡眠,如快波睡眠剥夺。482、对身心健康
19、的影响对身心健康的影响 成人被全部剥夺睡眠60小时后,会出现一系列不适应症状,如疲乏、焦虑、激动、发怒或不友好、注意力涣散、记忆力降低、思维迟钝、动作笨拙、头痛耳鸣和复视等。全睡眠剥夺100小时以上,大脑将无法工作,嗜睡极为严重。有人出现意识障碍或明显的幻觉等。长时间睡眠剥夺还会引起眼球振颤、眼睑下垂和肌张力下降等症状。个别被试会出现类似于精神病人的行为。49 对于动物的研究发现,短期睡眠剥夺引起中枢神经系统的兴奋性增高,表现为电休克阈值提高,脑自我刺激阈值降低,条件反射时间缩短等。还会引起动物的痛觉阈降低,性激素周期紊乱和心率、血压等植物性神经系统功能的改变。长期睡眠剥夺,动物的肌张力降低,
20、甚至不能保持正常的姿势、体温下降。睡眠剥夺的时间足够长,将会导致动物死亡。50 3、睡眠剥夺后的、睡眠剥夺后的“反跳现象反跳现象”对人全部睡眠剥夺之后,恢复睡眠期间的慢波睡眠和快波睡眠时间会出现延长现象,即超过原先的正常值,称为睡眠剥夺后的“反跳现象”。如一夜睡眠剥夺后的恢复夜晚快波睡眠的增加占总睡眠时间的5-10%,同时慢波睡眠的3-4期时间也有所增加。连续几天快波睡眠剥夺之后,快波睡眠的潜伏期变短,快波睡眠的次数增加,随后恢复夜晚睡眠同样出现快波睡眠的反跳现象。51二、睡眠的功能二、睡眠的功能 1 1、消除疲劳,恢复体力、消除疲劳,恢复体力 觉醒期间体内分解代谢活动占优势,尤其在体力劳动与
21、锻炼之后,以及疼痛和受伤时的分解代谢水平更高。由于慢波睡眠时体内的合成代谢占优势,因此充足的睡眠可以使人们消除疲劳,恢复体力。522 2、慢波睡眠有助于生长发育、慢波睡眠有助于生长发育 睡眠与激素的分泌有密切的关系。垂体前叶分泌多种激素,如生长素、催乳素和黄体生成素(青春期)在睡眠过程中分泌增加,其中生长素最为明显。生长素在慢波睡眠的3-4期出现24小时分泌高峰,正常成年人血浆中生长素在清醒休闲时为0-2皮克/毫升,而在慢波睡眠的3-4期可增加至10-20皮克/毫升。533 3、快波睡眠有助于脑的成熟、快波睡眠有助于脑的成熟 快波睡眠是脑生长发育所必需的。人与动物的比较研究发现,它们出生时脑发
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