第四节　人类昼夜节律

植物、动物和人类的活动都存在昼夜节律变化。哺乳动物生物节律的中枢生物钟位于视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN）。尽管不同种属的生物节律中枢组成有很大不同，但生物节律的产生机制却极其类似，均由一系列节律基因的转录和转录后调控所产生的分子振荡引起。昼夜节律不仅由内源性的遗传因素决定，还受到多种环境因素如光照、温度和饮食等影响，其中光线是人类生物节律最强的导引因素，能使节律与环境因子的周期性变化逐渐同步，生物节律系统使机体更能适应环境的变化。

一、昼夜节律和生物节律的概念

1729年，法国天文学家Jean-Jacques d'Ortous de Mairan研究了含羞草的昼夜节律。发现含羞草的叶片在白天张开，黄昏时合拢。将含羞草放在地窖黑暗条件下，仍像处于自然状态的昼夜光暗交替条件下一样，在外界是白天的时候叶片张开，而在外界是夜晚的时候叶片合拢。1759年，Duhamel du Monceau等进一步发现，在恒温条件下，含羞草也会表现出叶片运动的节律性。这些实验表明植物不依赖光照或温度的变化，可能有内在的生物钟。

1832年，Augustin de Candolle发现在持续黑暗环境下，每天含羞草的叶片张开都会提前1～2小时。当人或动物被放置在持续黑暗或光照环境下，内源性的昼夜节律仍然存在。在不受外界环境影响的恒定环境里，生物表现出自运行（free running）状态，各种生物的自运行周期都接近24小时。这种处于22～28小时范围的节律，称为近日节律（circadian rhythm）。其中“近日”或称“昼夜（circadian）”一词来源于拉丁语的circa+dies，意为大约1天。例如，人的内源性节律接近24.2小时，而小鼠的内源性节律接近23小时。生物处于周期性光照、温度等变化环境中，所表现出的24小时周期的生理或行为节律称为昼夜节律（diurnal rhythm）。因此，近日节律与昼夜节律在概念上存在区别。

生物节律（biological rhythm）是指生物在生理、行为等方面反复出现的周期性特征。光、温度、湿度、食物和社会等环境因素都对生物内在的节律产生影响，并使节律与环境因子的周期性变化逐渐同步，这一过程称为导引（entrainment）或重置（reset）。能够对节律产生导引作用的环境因子称为授时因子，用德语zeit geber表示，“zeit”表示时间，“geber”表示给予者。人的近日节律大约24.2小时，但由于受到光线、温度等各种环境因素的影响，这种内在的节律每天都会被外界环境导引，并与外界环境同步化，表现出24小时的节律。

自然界每天光照和黑暗交替循环的周期是24小时，但在生物钟研究中，有时会用到一些非24小时周期的光暗循环条件，称为T循环（T-cycle）。T循环用LD来表示，其中L表示light，而D表示dark。LD 12∶10 表示光照12小时、黑暗10小时的T循环条件。T循环条件下的时间可以用Zeitgeber time（ZT）表示。由于光是一种授时因子，对节律有很强的导引作用。在T循环中，开始暴露在授时因子条件下的时刻标记为ZT0，如果是在LD 12∶12条件下，则ZT0表示开始给予光照的时刻，而ZT12表示光照停止的时刻。在一些特殊环境条件下，T循环的周期会很极端，例如，航天员沿近地轨道绕地球飞行时，大约90分钟飞行一圈，其中只有处于地球阴影区域的时候才是“黑夜”，约25分钟。而在其余时间里，都处于太阳可以照射到的“白昼”。在现代载人航天工作中已对航天员的作息时间作出了科学的安排，以保持地面上的生活习惯和昼夜节律。借航天器的灯光，模拟地球上的昼夜明暗变化，使航天员适应新的环境，保持正常的工作能力。否则，将导致睡眠和代谢障碍。

二、昼夜节律的调控

昼夜节律是由遗传和环境因素共同决定的。产生和调节生物节律的内在系统称为生物钟。生物钟是一套由感光神经元、内分泌系统及基因振荡表达调控共同形成的功能体系，使得生物从微观水平的基因表达、细胞代谢，到宏观水平的生物行为，形成昼夜更替的节律。

（一）生物钟系统

生物钟（circadian clock）是生命对地球光照、温度等环境因子周期变化长期适应而演化的内在自主计时机制，哺乳动物SCN是昼夜节律最主要的起搏器，控制着机体的生理和行为节律。SCN的结构与功能具有异质性，可以根据解剖结构、神经肽的种类及节律特征等进行划分。啮齿类和灵长类动物的SCN都分为背侧和腹侧两个部分，背侧部分包裹着腹侧部分，腹侧和背侧也被形象地称为SCN的核心和外壳。腹侧的神经元接受来自视网膜的光信号，并通过密集的轴突与背侧的神经元相连，但从背侧中部至腹侧的投射则很少。

除中枢的SCN外，哺乳动物某些组织、器官的细胞里也存在生物钟基因，包括肝脏、肌肉、胰腺和脂肪组织都具有自己的生物钟。SCN起到同步外周组织生物钟系统的作用。SCN神经元通过视网膜下丘脑束（retinal hypothaiamic tract）接受来自视网膜内表达特殊视黑素的神经节细胞的光信息，感知外界环境的昼夜变化，并使其生物钟的相位与光的相位同步。在组织水平上，SCN由于是生物钟的起搏器，调节其他组织和器官的节律。因此，SCN的生物钟被称为中央生物钟（central circadian clock），而其余的外周组织和器官中的生物钟称为外周生物钟（peripheral circadian clock），中央生物钟和外周生物钟共同组成生物钟等级系统。

SCN调节着包括交感神经和副交感神经在内的自主神经系统的功能，并进一步调节外周各组织的生理活动。SCN通过自主神经调节光照对松果体褪黑素分泌的抑制作用，白天体内的褪黑素含量很低，而在夜间达到峰值。生物钟对进食和代谢也具有调控作用，同时也会反过来受到进食和代谢的影响。对于外周生物钟，尤其是肝脏的生物钟来说，进食也是一个具有较强导引作用的授时因子。外周组织产生的一些激素和代谢物，如葡萄糖（glucose）、促生长激素释放素（ghrelin）、瘦 素（leptin）、胰 岛 素、糖 皮 质激 素（glucocorticoid，GC）、盐 皮 质 激 素（mineralocorticoid，MC）和胰高血糖素样肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）等，都能调节和影响SCN的节律。

人类从婴儿期开始出现昼夜节律，随着年龄增长而发生变化。例如，少年儿童的睡眠开始时间及褪黑素水平的波动比成人早。至青春期后，睡眠起始时间延迟，在啮齿类动物和非人类灵长类动物都保留这种节律的变化。老年人的生物节律又回到提前的状态，并伴随着昼夜节律振荡而减弱。

（二）昼夜节律的分子机制

在分子水平上，生物钟调控模型包括转录/翻译为基础的负反馈环路。在动物生物钟调节负反馈环路中，正调控因子CLOCK和CYCLE/BMAL1形成异二聚体，通过结合负向因子PERIOD、TIMELESS和CRYPTOCHROME启动子区域的E-box元件，激活转录。在细胞质内，负向因子翻译成蛋白质形成异二聚体后转移到核内，通过与正向因子的结合，而终止负向因子本身的转录，进而形成负反馈环路。当生物钟蛋白被降解殆尽后，其对正调控元件的抑制作用就被解除，正调控元件又可以结合到生物钟基因的启动子部位，开启新一轮的转录与翻译。如此不断循环，产生分子水平的节律。对于昼夜节律的生物钟来说，完成一个循环的周期大约为24小时，因此，生物钟基因表达节律的周期大约24小时。

三、昼夜节律对睡眠的影响

哺乳动物的睡眠-觉醒周期存在昼夜节律。褪黑素是哺乳动物体内最为重要的授时因子之一，昼夜节律中枢SCN主要通过相邻核团的中继，将昼夜节律信号传递到多个睡眠-觉醒脑区，调控睡眠-觉醒的时相转换。在分子水平，昼夜节律的核心基因在调控昼夜节律及维持睡眠-觉醒周期方面也发挥重要作用。

（一）光暴露对睡眠-觉醒的影响

光信息是形成昼夜节律的主要外部条件。视网膜下丘脑束将视网膜的光信号直接传给SCN，SCN根据视网膜下丘脑束传来的外界光信息，对昼夜节律作出重新调定的指令，使生理功能适应外界明暗环境的变化。视网膜上负责视觉形成的细胞有视锥细胞和视杆细胞，位于感光细胞层。盲人虽然视觉丧失，但其体内的褪黑素水平仍然会受到周围环境光照的影响，说明视觉和生物钟的感光系统存在不同的通路。2002年，Berson等发现了哺乳动物视网膜的第三类感光细胞，即“视网膜内在感光神经节细胞（intrinsically photosensitive retinal ganglion cells，ipRGC）”。ipROC包含一种新发现的感光蛋白视黑素（melanopsin），这种细胞并不形成视觉，ipROC投射到SCN，参与昼夜节律的调节，如激素的分泌及瞳孔的扩大和缩小。

不同波长的光对人的节律有着不同的影响，视杆细胞对波长506nm的绿光最为敏感，视锥细胞对波长555nm的黄绿光最为敏感，而视网膜神经节细胞中视黑素的光吸收峰值为波长484nm的蓝光。对体内褪黑素起抑制作用最明显的是波长460nm的光，表明蓝光及附近波谱的光对生物钟的影响最为有效。在室内，照度＞500lx的光才能对节律产生导引作用，并对褪黑素产生抑制作用。

小鼠是生命科学研究中最常用的实验动物，啮齿类属于夜行性动物，夜间（暗期）活动，白天（明期）休息。当暴露在白光下时，小鼠的活动度迅速降低并进入睡眠。研究发现，急性光暴露可通过膝状体间小叶（intergeniculate leaflet，IGL）和视前区的GABA能神经元诱导小鼠睡眠，而上丘至中脑腹侧被盖区通路参与急性黑暗暴露诱导的觉醒。传统观念认为，小鼠缺乏红色色觉感知，在夜间实验时，常采用红光照明，认为可避免夜间光照对小鼠睡眠等行为的干扰。但文献显示，不同实验室使用相同剂量同种促眠药所产生的药效或对照组的基础值差异较大，提示不同条件的红光可能影响小鼠的睡眠-觉醒行为。研究发现照度≥20lx的红光与对照组白光一样，能显著增加小鼠睡眠量，并干扰睡眠结构。当红光照度降低到10lx时，短时间或长时间红光暴露都不再影响小鼠的睡眠。该结果提示在夜间需要对小鼠等夜行性动物实施短期光照时，应选择照度为10lx或以下的红光，既方便实验人员操作，又可避免光照对睡眠-觉醒行为的影响。同时对家用夜间健康光源的开发具有指导意义。

（二）褪黑素对睡眠-觉醒的调节作用

人类的褪黑素是由松果体产生的一种吲哚类激素，其合成和分泌受光照影响，呈现昼夜节律。早上8时褪黑素在血液中的浓度降至最低，晚上20时开始分泌，随后逐渐上升，23时后迅速升高，凌晨2～3时达到顶峰，然后逐渐下降。因此，褪黑素的分泌与人类的睡眠-觉醒周期一致，对睡眠和昼夜节律有重要的调节作用。光照可抑制褪黑素分泌，如果夜间使用强光照明，临睡前用电脑或手机，会明显影响褪黑素的分泌，导致入睡困难。

褪黑素在光和生物钟之间发挥中介作用，将内源性生物节律的周期和位相调整到与环境周期同步，有催眠、镇痛、改善时差反应综合征的作用。褪黑素的分泌量与年龄有关，35岁以后，褪黑素分泌量减少，平均每10年降低10%～15%，而老年睡眠障碍患者褪黑素下降更加明显，分泌量仅为高峰期的1/10，导致睡眠节律和多个系统功能紊乱。外源性给予褪黑素可重新调定人体的许多生理、生化过程，以及某些行为如睡眠-觉醒的时间。褪黑素可改善昼夜节律紊乱性睡眠障碍，但褪黑素半衰期约30分钟，效应维持时间较短。目前有褪黑素控释片（circadin），该药在肠道内长时间释放褪黑素，阻碍褪黑素的快速清除，可模拟褪黑素分泌的生理模式。在睡前1～2小时服用褪黑素控释片，可缩短入睡潜伏期，改善睡眠质量，用于原发性和昼夜节律紊乱性失眠患者的短期治疗。

哺乳动物的褪黑素受体包括MT₁和MT₂受体，都属于G蛋白偶联受体家族。人的MT₁受体分布于SCN、小脑、丘脑、海马和大脑皮质等；MT₂受体分布于SCN、海马、丘脑、视网膜。褪黑素与MT₁受体的亲和性较强，与MT₂受体的亲和性较弱。动物实验发现，褪黑素及其受体激动剂可能是通过MT₂受体促进睡眠。褪黑素受体激动剂有雷美尔通（ramelteon）、阿戈美拉汀（agomelatine）和特斯美尔通（tasimelteon），能明显缩短患者入睡潜伏期，延长总睡眠时间，且对睡眠结构没有明显的影响，能够有效改善昼夜节律紊乱性睡眠障碍。

（三）生物钟调节睡眠-觉醒的机制

临床报道手术切除颅咽管瘤，同时切除了视交叉及部分SCN的患者，术后体温、意识、行为的节律都受到了严重的影响，睡眠-觉醒节律基本消失，睡眠质量下降。SCN与已知的睡眠-觉醒核团之间有广泛神经纤维联系，SCN大部分纤维投射至下丘脑的亚室旁区（subparaventricular zone，SPZ）和下丘脑室旁核（paraventricular hypothalamic nucleus，PVN）。SPZ腹侧的神经元密集投射到下丘脑背内侧核（dorsomedial nucleus，DMH），DMH进一步投射到多个睡眠-觉醒脑区。SCN有小部分纤维直接投射到腹外侧视前区（VLPO）和外侧下丘脑。动物实验发现，特异性毁损SPZ或DMH的神经元，能消除睡眠-觉醒周期和运动节律。另外，SCN通过PVN促肾上腺皮质激素释放激素神经元调控觉醒。这些通路可能是昼夜节律系统参与睡眠-觉醒调节的解剖学基础。

生物钟基因的异常也可导致各种睡眠障碍。CK1和PER2突变是引起家族性睡眠时相提前综合征的直接原因。PER3基因中的可变串联重复序列的重复数目与生物节律及睡眠相位的提前或延迟有关。DEC2通过影响生物钟主要调控元件BMAL1/CLOCK活性，从而影响人类睡眠长短。以上结果表明生物钟对于调节睡眠具有非常重要的作用。

（四）昼夜节律紊乱性睡眠障碍及治疗

昼夜节律相关睡眠-觉醒障碍（circadian rhythm sleep-wake disorder）是指个体睡眠-觉醒的生物节律与所处的环境模式不协调而引起的睡眠障碍。根据《睡眠障碍国际分类（第3版）》（International Classification of Sleep Disorders 3，ICSD-3）的标准，昼夜节律紊乱性睡眠障碍包括七种疾病。由于其诱发因素不同，这七种疾病又可分为两大类：一种是由于生物钟的改变而导致的内源性昼夜节律系统发生变化引起的睡眠障碍，包括睡眠-觉醒时相延迟综合征（delayed sleep-wake phase syndrome，DSPS）、睡眠-觉醒时相前移综合征（advanced sleep-wake phase syndrome，ASPS）、非24小时节律相关睡眠障碍（non-24-hour sleep-wake rhythm disorder，N24SWD）、无昼夜节律的睡眠障碍（no circadian rhythm sleep disorder）；另一种是环境变化引起睡眠-觉醒时间与自身内在的昼夜节律不同步而导致的睡眠障碍，如轮班、时差和非特指的昼夜睡眠清醒障碍。昼夜节律紊乱性睡眠障碍的主要临床表现是失眠和/或白天过度嗜睡，影响生活质量。长期昼夜节律紊乱使脑功能障碍的风险增高，如出现焦虑和抑郁情绪，降低学习和记忆能力。

临床可检查患者的血、尿及唾液中褪黑素水平和核心体温等，评价患者的内源性昼夜节律。PSG可排除其他睡眠疾病，有助于鉴别诊断。对于此类睡眠障碍治疗，需要重置患者的睡眠-觉醒昼夜节律。可以采用褪黑素、光疗法和认知行为治疗等。在生理情况下，内源性褪黑素在入睡前2～3小时分泌，对于入睡困难者，褪黑素给药的最佳时间应在期望睡眠时间前3小时，临床常用褪黑素及褪黑素受体激动剂。光照可改变睡眠-觉醒的相位，早晨强光照射，可引起睡眠相位提前；晚上强光刺激引起睡眠相位推迟。因此，对于睡眠时相延迟的患者，采取早晨强光暴露，晚上限制亮光的方法，可提前晚上入睡时间，并提高早晨的警觉水平。临床一般采用白光，照度范围在2 000～100 00lx。2 000lx照射1～2小时，100 00lx照射30分钟。另外，应对患者进行睡眠卫生教育和行为管理，避免不良睡眠环境及卫生习惯对睡眠-觉醒昼夜节律的影响。如睡眠环境过于明亮、熬夜、睡前长时间接触手机或电脑等电子产品，都有可能推迟睡眠-觉醒时相，导致入睡困难。因此，维持昼夜节律系统的正常，对调节睡眠及其他系统功能起着关键的作用。

良好的睡眠是机体健康的保证，睡眠剥夺对机体可造成多方面的影响，如生理功能及情绪的改变、抵抗力下降、焦虑和抑郁等。睡眠剥夺不仅来自工作压力或家庭相关的问题，也与人们的生活方式有关，如频繁查看手机、长时间面对电脑或电视屏幕等。另外，夜间过多、过强的人工光源也会干扰生物钟，影响睡眠。因此，重建自然睡眠-觉醒周期，白天应尽可能多地暴露于自然光下，适当运动并尽量避免白天小睡；晚上调暗室内照明强度，包括计算机、电视和手机的屏幕，更好地维护睡眠健康。

（曲卫敏）