引言
睡眠是维持我们清醒与无意识状态平衡的基本生物需求，是我们无法永久逃避的界限。在简单的睡眠与觉醒节律之外，存在着与有氧呼吸——细胞产生能量的过程——的深层关系。虽然许多人认为睡眠和有氧代谢是生命中的独立支柱，但牛津大学神经回路与行为中心（CNCB）主任格罗·米森博克领导的前沿研究揭示了有氧代谢作为需要睡眠的根本驱动力。
先驱者：格罗·米森博克与光遗传学
格罗·米森博克在全球神经科学界广受认可，特别是在20多年前开创了光遗传学的发展。他的团队将光敏视蛋白基因引入大鼠神经元，使它们能够通过光进行电刺激。后来，这种方法被应用于果蝇，通过精确控制特定脑神经元来操纵飞行模式。这些突破性成果通过前所未有的大脑活动控制和观察方式彻底改变了神经科学。
这项基础工作扩展了我们对多种大脑功能的理解——感知、运动、动机、学习、交流和决策。自2012年以来，米森博克获得了众多奖项，使光遗传学成为诺贝尔奖的热门候选。与此同时，他和他的合作者使用果蝇作为模型生物，开始了对睡眠生物学的深入探索。
生物钟与睡眠驱动：双重系统
人类睡眠由两个主要生理过程调节：生物钟（昼夜节律）和睡眠稳态系统。
生物钟由下丘脑的视交叉上核（SCN）控制，将我们的睡眠-觉醒周期与视网膜接收的环境光信号同步。这个主时钟进一步协调全身的外围时钟，调控代谢、免疫反应和睡眠时间。
睡眠稳态系统控制睡眠压力——身体对睡眠的需求有多强烈。当缺乏休息时，该系统会积累压力，一旦条件允许，就会导致更长、更深的补偿性睡眠。在果蝇中，背扇形体（dFB）是控制这一过程的关键脑区域，在哺乳动物中假设腹侧外侧前视区（VLPO）具有类似作用。
有趣的是，尽管物种之间存在明显的环境差异——人类需要一个安全、安静的环境来保证七到八小时的睡眠，而果蝇只是安静地暂停——但潜在的睡眠调节机制显示出高度的进化保守性。
dFB：睡眠的守护者
科学研究表明，当果蝇dFB中的神经元变得活跃时，睡眠随之开始。白天，dFB神经元在强烈的神经活动背景下保持抑制状态，处理外部刺激并消耗能量。这就像夜班工人在白天不活跃但在换班开始时变得活跃；随着夜晚的到来，dFB神经元“打卡”以启动睡眠。
精确的生化链式反应：睡眠的分子倒计时
dFB通过一系列代谢和分子事件触发睡眠。在清醒期间，果蝇消耗富含能量底物的食物，这些底物主要通过线粒体氧化磷酸化代谢——涉及四个复合体的电子传递链，最终合成ATP，即细胞的能量货币。
然而，由于dFB神经元在白天保持不活跃，它们消耗的ATP较少，导致ATP分子积累。这种积累像高速公路的交通拥堵一样阻碍了电子传递链，尤其是在复合体III处，电子泄漏产生超氧化物（O2•−），这是一种活性氧（ROS）。这种超氧化物的积累构成了“睡眠倒计时”。
完整的氧化呼吸链，也称为电子传递链，存在于真核生物的线粒体中。图片来源于维基百科
这种氧化压力在dFB神经元内传播，直到激活细胞膜上的特定电压门控钾离子通道。一种通常与NADPH结合的ROS驱动酶发生氧化，改变其构象并打开钾通道。神经元兴奋性增加，向大脑发送信号以诱导睡眠。
图片上面为细胞膜，下方为甘油磷脂。后者是细胞膜的主要组成成分，其容易因为超氧化物而氧化。图片来源于Opossum58/维基百科
睡眠剥夺的危害：全脑氧化损伤
当大脑抵抗自然的睡眠冲动时会发生什么？米森博克团队2025年的最新研究表明了睡眠剥夺或“熬夜”的有害影响。
他们对大约3000个果蝇神经元在12小时睡眠剥夺后（相当于一次通宵）的研究显示，神经元膜甘油磷脂发生了巨大变化。在鉴定出的380种类型中，51种表现出显著增加或减少，表明氧化损伤。
图片直观展示了休息和睡眠剥夺的情况下，果蝇大脑中的甘油磷脂的变化，从左图中休息状态和睡眠剥夺的对比可以看出，非常多种甘油磷脂的数量减少了，只有少数几种增加了。右边的两个图也显示了这种变化，图片来源于今年3月发表于《自然》的论文
在正常情况下，甘油磷脂含有长链多不饱和脂肪酸，对于膜的柔韧性和抗氧化防御能力至关重要。睡眠损失导致较短且不饱和程度较低的链，减少了膜的刚性和抗氧化防御能力——实际上是一种全脑氧化状态。
副产物包括脂质过氧化氢（LOOH），这些物质降解成有害的醛和酮，特别是4-氧代-2-壬烯醛（4-ONE）。这种分子氧化钾通道上的NADPH，进一步激发dFB神经元并加强睡眠驱动。
线粒体碎片化和数量下降
除了脂质氧化，睡眠剥夺还会触发线粒体碎片化和dFB神经元内的严重数量减少。详细的成像研究表明，睡眠不足后线粒体变得更小且数量更少。
通常，线粒体形成动态网络，经历融合和分裂以维持功能和健康。睡眠剥夺迫使过度分裂以隔离和去除受损的线粒体部分，但同时耗尽了对融合至关重要的磷脂酸。这种失衡阻碍了线粒体更新和能量生产。
幸运的是，神经元从内质网招募脂质来修补线粒体膜，维持一些线粒体功能，但总体线粒体数量仍然减少。
清醒与氧化应激的恶性循环
随着受损的线粒体继续存在，受损的ATP生产加剧了呼吸链阻塞，促进了更多ROS的形成并加剧氧化应激。这个恶性循环加速了神经元损伤和脑功能的衰退。
睡眠在修复和能量恢复中的重要作用
我们的身体不断从有氧代谢中产生ROS，逐渐损害神经元并将其推入压力“战斗损伤”状态。睡眠提供了一个关键的修复期——代谢率和脑葡萄糖消耗下降，抗氧化系统增强。
睡眠增强了褪黑激素和抗氧化酶如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶的产生，这些酶清除自由基并改善线粒体健康。这种平衡使细胞完整性和认知功能得以恢复。
进化的洞察：睡眠与有氧代谢的起源
研究将睡眠的出现与有氧呼吸的进化紧密联系在一起。约24亿年前的大氧化事件使真核生物能够最大限度地从有机分子中提取能量。后来，在7.5亿至5.7亿年前的氧气激增促进了寒武纪复杂生命的爆发。
高能氧化代谢支持了复杂、高能耗神经系统的发展——反过来，这又需要睡眠来进行损伤修复和系统维护。
实际意义与健康建议
规律、充足的睡眠不仅对心理健康至关重要，还对维持大脑能量工厂——线粒体的细胞健康至关重要。避免慢性睡眠剥夺或夜间通宵可以防止累积性的脑氧化损伤和线粒体功能障碍。
如果偶尔发生睡眠不足，补偿性休息可以部分恢复线粒体数量和脂质完整性，但长期忽视会导致认知能力下降和神经退行性疾病的风险增加。
案例说明
考虑约翰，一位28岁的软件工程师，经常为了完成项目截止日期而通宵达旦。最初，约翰感到高效，但很快出现了思维模糊、注意力下降和疲劳。他不知道的是，他的大脑正在经历氧化脂质损伤，关键睡眠调节脑区域的线粒体也在碎裂和减少。如果没有足够的恢复性睡眠，约翰面临慢性认知障碍和健康不良的风险。
结论
睡眠不是一种被动的状态，而是对抗脑部有氧代谢产生的氧化应激的一种主动且必要的过程。格罗·米森博克及其同事的工作揭示了睡眠剥夺如何导致全脑氧化损伤、线粒体碎片化、脂质膜降解和神经元功能受损。
保持健康的睡眠模式可以在细胞水平保护脑健康，维持能量代谢和认知功能。未来的研究可能会发现减轻氧化损伤和维持线粒体健康的治疗靶点，但目前最好的处方仍然是：优先保证睡眠。
希望本文增加了您对睡眠重要性的认识，今晚您将睡得更好。
