第3章 昼夜节律和睡眠调节
我们生活在一个围绕自身和太阳周期性旋转的星球上。昼夜是由地球自转产生的，季节是由太阳的公转和地球自转轴的倾斜产生的。光明与黑暗（持续时间不同）的交替塑造了生命的发展。这种节律导致了动物和人类的周期性波动，对睡眠 - 觉醒行为产生了强烈影响：昼行性哺乳动物在白天清醒，晚上睡觉。这并非是理所当然的，人们也可能会期望在累了的时候睡觉，睡够了就起床，即一种与光暗无关的内稳态。然而，为了能够有规律地共同生活，拥有一个内部的节律发生器是有意义的，它有助于为相应的情况做准备（例如在醒来前释放皮质醇）。近年来，时间生物学和睡眠医学表明，这两个过程在睡眠调节中都起作用。本章旨在介绍时间生物学研究以及睡眠内稳态。目标是基于双过程模型传达这两个影响因素相互作用的理解，并建立与体育科学主题的联系。如需详细了解时间生物学睡眠研究，推荐阅读Jürgen Zulley所著的《Schlafen und Wachen als biologischer Rhythmus》（1993年）；关于睡眠内稳态和双过程模型，推荐阅读Alexander Borbély所著的《Schaf》（2004年）。
3.1生物节律
时间生物学研究生物节律。节律的特点是周期性重复的事件，可以通过相位、周期时长、频率和振幅进行数学表征。相位是指相对于整个周期的某个时间点（例如最大值）；周期时长是指某个相位重复的时间；频率表示在单位时间内节律重复的次数，作为导出的国际单位制单位，频率以赫兹（Hz）为单位，指的是每秒（），是周期时长的倒数（见表3.1）；振幅定义为振荡相对于平均值的最大正偏差和负偏差。
表3.1各种生物节律及其周期时长和频率。这种转换在一定程度上不直观，因为数字系统发生了变化
| 节律 | 秒（s） | 分钟（min） | 小时（h） | 天（d） | 每秒1次（Hz）* | 每分钟1次 | 每小时1次 | 每天1次 |
| 神经 | 0.02 | 3.33×10⁻⁴ | 5.56×10⁻⁶ | 2.31×10⁻⁷ | 50 | 3.00×10³ | 1.80×10⁵ | 4.32×10⁶ |
| 心率 | 1 | 0.0167 | 2.78×10⁻⁴ | 1.16×10⁻⁵ | 1 | 60 | 3600 | 8.64×10⁴ |
| 呼吸 | 4.615 | 0.0769 | 1.28×10⁻³ | 5.34×10⁻⁵ | 0.217 | 13 | 780 | 1.87×10⁴ |
| 非快速眼动 - 快速眼动周期 | 5400 | 90 | 1.5 | 0.0625 | 1.85×10⁻⁴ | 0.011 | 0.667 | 16 |
| 核心体温 | 86400 | 1440 | 24 | 1 | 1.16×10⁻⁵ | 6.94×10⁻⁴ | 0.0417 | 1 |
| 肌肉酸痛 | 604800 | 10080 | 168 | 7 | 1.65×10⁻⁶ | 9.92×10⁻⁵ | 5.95×10⁻³ | 0.143 |
*频率的单位是赫兹（Hz），其中1Hz = s⁻¹
根据频率可以区分不同的节律。如果频率高于1赫兹（>1Hz），信息非常清晰，因为秒和毫秒是以十进制系统（基数为10）给出的：例如，音乐会音高A的声波频率为440Hz，可见红光的频率例如为400THz（）。对于频率低于1赫兹（<1Hz）的情况，信息不明确，因为小时和分钟是以六十进制系统（基数为60）给出的：1小时有60分钟，每分钟有60秒。更大的时间周期又会改变数字系统：24小时为一天，7天为一周等等（见表3.1）。因此，较慢的节律通常与分钟、小时或天有关。
在动物和人类中，许多身体功能都有节律性，其频率低于1赫兹。其中一些生物节律我们可以直接感知（例如脉搏、呼吸、睡眠 - 觉醒节律），许多其他节律我们则无法感知（例如核心体温）。在时间生物学中，24小时节律起着重要作用，因此通常以一天作为参考系统。
昼夜节律
如果周期时长约为24小时，那么这些节律被称为昼夜节律。这个短语的意思是大约（lat. circa）一天（lat. dies）。大量研究结果表明，人类的大多数心理、生理和生化功能都是按昼夜节律组织的，即在一天中会有最大值和最小值。这些功能包括激素分泌（皮质醇、生长激素、褪黑素、胃饥饿素等），以及疼痛感知、时间估计或情绪等。昼夜节律是时间生物学研究的重点。
超日节律
如果周期时长短于24小时，那么这些节律被称为超日节律。其频率高于（lat. ultra）一天。与睡眠相关的超日节律是每晚大约90分钟的四到六个非快速眼动 - 快速眼动睡眠周期的节律性交替。
亚日节律
如果周期时长长于24小时，那么这些节律被称为亚日节律。其频率低于（lat. infra）一天。这一类别包括周期时长约为7天的近似周节律（例如疾病进程、肌肉酸痛）、周期时长约为29.5天（大致为一个月相周期）的近似月节律（例如月经周期）以及周期时长约为365天（大致为一年）的近似年节律（例如冬眠）。近似年节律几乎只出现在季节分明的地区。
周期和周期时长是表征节律的特征。在时间生物学中，24小时节律起着重要作用，被称为昼夜节律。
3.2外源性或内源性控制
过去，关于身体昼夜节律过程的原因一直存在争论，其特点是两个极端：一组人认为昼夜过程的致因完全在于环境。这组人的核心论点很明显：人类（通常）在白天活动，晚上睡觉。因此，白天和黑夜决定了内部节律，节律的规定应归因于环境。特别是当人们设身处地考虑没有人工照明的过去时，这个论点就很清晰。例如，如果在一个没有月亮的夜晚，在偏远地区关掉手电筒，在大自然中，人们会很快意识到在黑暗中什么也看不见，行动的选择也变得极少。因此，环境中的外源性因素，尤其是阳光，决定了生物体的睡眠 - 觉醒节律。
另一组人则认为昼夜节律的原因在于生物自身。如果遵循这个论点，就需要至少一个内源性振荡器来触发周期性振荡。即使是对花朵的仔细观察也能证实这一假设。如果阳光是花朵开放和闭合的原因，那么所有开花植物都应该在同一时间开花，但事实并非如此。例如，万寿菊在早上开放，而昙花，一种仙人掌植物，在傍晚开放。事实上，仔细观察会发现很多迹象，例如在斯堪的纳维亚地区（超出热带范围），那里太阳连续几周不落山或不升起。人和动物也生活在那里，并且有睡眠 - 觉醒节律。然而，环境因素的代表会争辩说，生活在那里的人们的生活节律仍然“符合当地时间”，也就是说，即使在遥远的北方的仲夏，夜晚几乎不黑，人们在“白天”清醒，在“夜晚”睡觉。其原因应在一个未知的“地球气象”或“宇宙”控制中寻找。因此，在时间生物学中，人们寻求特殊条件来系统地操纵动物和人类研究中的内部节律，以便考虑到这些因素。
为了记录休息 - 活动节律，测量运动行为，即动物的运动行为是合适的。Jürgen Aschoff研究了例如啮齿动物、绿雀和苍头燕雀的运动。图3.1展示了三只鸟的活动周期性记录。在12小时交替的人工光暗变化下（左侧），动物的活动局限于光照时间，黑暗中则处于休息状态。如果这种24小时的人工节律是由光照变化引起的，那么在持续光照下它应该消失。然而，图的右侧表明，所有三只动物都保持了这种节律。
▲ 图3.1三只绿雀在人工光暗变化（左）和持续光照下的活动。数据来自Aschoff（[1]，第61页）
然而，这些研究结果并不能完全排除外源性因素，毕竟在苍头燕雀1和3中，节律仍然“符合当地时间”，因此与地球自转相关的外部控制因素也可以解释这种节律。但是，如果仔细观察第二只苍头燕雀，会发现它的活动每天大约提前一到两个小时开始。Aschoff写道，第二只鸟的周期性相位相对于其他动物和当地时间发生了偏移。这个结果明显与一个与地球自转相关的外源性环境因素相悖。
3.3人类的隔离实验
在人类中消除外源性因素以探索内源性因素的想法，在实践中是一项相当复杂的任务。因为关于当前是白天还是晚上的时间信息，或者至少是一个大致的估计，可以从许多小线索中确定。在这样的实验设置中，人类必须与所有环境影响完全隔离，以使“内部时钟”无法同步。这种屏蔽不仅涉及光线，还包括噪音、社会接触、辐射等。同时，所有活动都必须被记录下来。为此，20世纪60年代初在慕尼黑附近的安道赫斯为马克斯·普朗克行为生理学研究所建造了一个“地堡”。在1964年到1989年之间，Jürgen Aschoff和他的研究团队对总共447名自愿的、精神稳定的受试者进行了隔离实验，每个受试者参与隔离实验四周。每个受试者都有一个设备齐全的20平方米的房间可供使用。在研究期间，日常生活可以自由选择，但测量必须严格按照规定进行。
参与隔离的受试者在自由运行条件下保持了规律的活动（2/3）和卧床休息（1/3）节律。如果有人熬夜，那么休息时间就会缩短，以使起床时间保持不变。因此，休息时间会根据之前清醒时间的长短进行调整，以实现尽可能均匀的昼夜周期。由此可以得出结论，只要清醒时间的波动不超过一定限度，生理恢复的需求就不太依赖于睡眠时间。
▲ 图3.2各种功能的同步日周期性。数据来自Aschoff（[1]，第71页）
在“地堡实验”中，使用多导睡眠图对六名受试者进行了总共246个“夜晚”的记录。由于受试者处于隔离状态，他们在实验前学会了使用镜子系统自行连接电极。在24小时的一天中，平均睡眠时间为7.3小时，在自主周期下为8.8小时。在比较同步和自由运行条件时，之前假设自由运行时增加的时间主要是由于活动时间的增加。然而，睡眠测量结果表明，在同步条件下的睡眠时间比之前假设的要少。睡眠测量还揭示了第二个有趣的细节：即使在自由运行条件下，深度睡眠在睡眠阶段开始时仍然占主导地位，这表明存在内稳态调节。
在自由运行条件下，平均自主周期时长为25小时。
▲ 图3.3人类所确定的自主周期的频率分布。数据来自Zulley（[7]，第10页）
失同步周期性
在大约30%的自主条件下的人中，昼夜节律（例如核心体温）与睡眠 - 觉醒节律失同步。这可能导致睡眠 - 觉醒阶段相对于昼夜过程的延长或缩短。例如，体温最低点可能会转移到活动阶段。然而，由于情绪也遵循昼夜节律，可能会出现这样的情况：在清醒阶段，原本在休息阶段测量到的阴郁情绪似乎毫无缘由地出现。失同步也可能在没有地堡的情况下发生，例如在所谓的昼夜节律睡眠障碍中（见第4章）。时差也会导致失同步，这将在后面的章节中详细讨论（见第10章）。
授时因子和周期时长
在隔离实验中，通过延长或缩短人工光暗变化，可以在一定范围内延长或缩短人类的同步昼夜过程。例如，在地堡中，通过将光暗阶段延长数天，可以将核心体温的昼夜周期从25小时延长到27小时。如果试图进一步改变周期时长，它会反弹，并且会发生所谓的“强制”失同步。随后，研究人员调查了除光之外的哪些授时因子可以改变周期时长。社会交往、有规律的锣声信号、身体活动、用餐时间等所有有规律的事件都可以延长或缩短周期时长。有趣的是，亮度的重要性以及后来光的颜色成分的重要性是在后来几年才被发现的。早期的实验使用大约300勒克斯的光照，后来的研究使用了2500勒克斯的人工白昼（在晴天，户外的值可以上升到10000勒克斯）。在这种亮度下，周期时长可以延长到31小时或缩短到19小时，而核心体温不会与睡眠 - 觉醒节律失同步。然而，必须确保保持三分之一黑暗和三分之二光明的比例。同时，现在也知道例如平板电脑或智能手机的蓝光成分可以刺激视网膜神经节细胞中的光敏感蛋白黑素视蛋白，从而影响内源性过程作为授时因子。这些发现对于体育也具有相关性，例如在比赛前制定良好睡眠的策略（见第9章）或处理时差问题（见第9章）。
周期时长可以通过隔离实验中的不同授时因子来延长或缩短。强光、社会接触、规律的用餐时间等是强大的授时因子。
3.4昼夜节律的神经生物学成分
2017年，美国研究人员Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash和Michael W. Young因破译“内部时钟”的分子机制而获得诺贝尔医学奖。他们在果蝇中发现了振荡基因（例如timeless），这些基因编码一种在夜间在细胞中积累并在白天分解的蛋白质。这种分子“沙漏”解释了在植物、动物和人类的每个单细胞中都可以发现昼夜周期性。
在人类中，各个时钟基因必须由一个起搏器协调。这个关键角色由下丘脑中的视交叉上核（SCN）承担。其名称表明它位于视交叉上方（lat. supra）。SCN可以通过不同的时间线索协调身体的昼夜节律。强光（例如2500勒克斯）作为一个强授时因子，会使SCN的神经细胞在光照下放电，在黑暗中停止活动。SCN接收来自视网膜神经节细胞的信息，这些细胞包含光敏感蛋白黑素视蛋白。视网膜神经节细胞的轴突通过一条沿着视神经和视交叉的神经通路直接与SCN相连。如果视网膜神经节细胞（包括黑素视蛋白）在盲人中缺失，就无法与光暗变化同步。相反，视网膜神经节细胞（包括黑素视蛋白）完整的盲人可以与光暗变化同步。有趣的是，这些盲人尽管失明，但他们区分光明和黑暗的能力不仅仅是偶然的。
通过多突触连接，光暗信息从SCN传递到松果体，松果体在黑暗中释放褪黑素，从而可以通过血液循环将黑暗信息传递给身体细胞。另一方面，SCN与附近的腹外侧视前区（VLPO）相连。VLPO在睡眠 - 觉醒转换中起着重要作用，被讨论为睡眠的门户，因为它阻断了重要的胆碱能、肾上腺素能、血清素能和组胺能觉醒系统，从而启动睡眠。对大鼠的损伤研究表明，一方面，SCN受损后，实验动物的休息 - 活动模式完全失去昼夜节律；另一方面，VLPO受损会导致完全失眠。
各种激活系统在睡眠 - 觉醒调节中起作用。激活系统是中枢神经系统中的特殊细胞组合，主要位于脑干。以下是这些系统的简要概述：
上行网状激活系统（ARAS）
ARAS是经典的、涵盖广泛的激活系统，它将感觉信息从脑干引导到大脑皮层。下面描述的系统是ARAS的子区域和延伸。
GABA能系统
GABA能系统是最大的抑制系统。它主要起源于VLPO。由于它向整个大脑发送广泛的信号，所以很难精确定位其作用区域。它用于抑制目标区域。它对于睡眠的启动至关重要，也会导致睡眠中典型的肌肉松弛。
血清素能系统
血清素能系统位于脑干的中缝核（NR）以及延伸的脊髓中。血清素能系统主要具有抑制功能。例如，它抑制感觉信息，这对于自动化行为是有益的。在深度睡眠中其活动较低，在快速眼动睡眠中几乎不存在。然而，它似乎对睡眠的启动很重要。睡眠中血清素的浓度与深度睡眠的比例相关。
胆碱能系统
胆碱能系统位于基底前脑和脑桥。它控制着海马体的活动等。在快速眼动睡眠中，该系统的细胞会不受控制地放电。在强烈梦境后的混乱状态与将胆碱能系统重新控制所需的时间有关。它被怀疑对快速眼动 - 非快速眼动振荡有贡献。
肾上腺素能系统
肾上腺素能系统以去甲肾上腺素为主要神经递质，位于蓝斑。在清醒时它被激活，在深度睡眠和快速眼动睡眠中，神经细胞的活动非常低，几乎不存在。它在所有脑区域都有深远的影响，被理解为中枢神经系统的警报系统。
3.5睡眠调节的双过程模型
如前所述，昼夜节律对睡眠 - 觉醒行为有重大影响，但它不能被视为唯一的影响因素。如前所述，在连续光照条件下，睡眠可以被抑制24小时，但生理和心理参数的昼夜波动仍然明显。当然，人们也可以决定何时上床睡觉，并克服可能的低谷，以便例如聚会（或训练）到深夜。尽管如此，通过各种时间线索改变周期时长表明，睡眠 - 觉醒节律通常与昼夜节律的变化相耦合。因此，昼夜周期性是睡眠调节的第一个重要过程。
除了昼夜节律，之前的清醒时间似乎对睡眠调节也有显著影响。睡眠，就像饮食一样，是人类的一种基本需求。如果一个人长时间抵抗睡眠的需求，这种需求会随着清醒时间的增加而增加。相反，在入睡后，睡眠的需求会逐渐减少。例如，在睡了8个小时后，健康睡眠的人的需求得到满足，并且会感到精神焕发。这种对睡眠和清醒之间平衡的调节被称为睡眠内稳态，它是睡眠调节的第二个基本过程。
昼夜节律和睡眠内稳态之间的理论相互作用是由Alexander Borbély在1975年提出的“双过程模型”。在图形表示中，上面一行首先显示过程S（睡眠内稳态），它在清醒时渐近接近最大值，并通过睡眠再次降低。下面是过程C（昼夜节律），几乎所有测量的生理和心理参数在晚上显示最小值，在白天显示最大值。在Borbély的模型中，过程C是倒置的，所以曲线C’可以看作是清醒程度，它在晚上达到最低值，在早上达到最高值。当合并这两条曲线时，两条曲线之间的距离可以解释为“睡眠压力”。距离越大，“睡眠压力”越大，而距离小则表示清醒程度高（见图3.4）。
▲ 图3.4包含过程C和S的双过程模型。数据来自博尔贝利[3]
正如理想化的图示所示，由于达到了睡眠压力的最小值，一天从早上7点开始。在早上，两条曲线几乎平行上升，这意味着内稳态睡眠压力（从一开始就增加）被昼夜过程的激活水平的增加所平衡。在下午早些时候，过程C达到最大值并开始再次下降。由于过程S继续上升，入睡的准备程度现在逐渐增加，并最终使我们在晚上11点轻松入睡。
这个模型通过自我观察已经直观地展示了它的解释力。例如，如果一个人一晚没睡，即如果一个人在晚上11点没有上床睡觉，过程S会继续上升。S和C’之间的差异在凌晨4点左右达到最大值，所以在这个时候应该会强烈感受到睡眠压力。在接下来的几个小时里，两条曲线再次接近。尽管过程S很高，但由于过程C’的接近，早上的睡眠压力是有限的。该模型关于睡眠时间和深度睡眠比例的预测已经通过实验成功验证。例如，当睡眠延迟时，模型预测的睡眠时间缩短以及深度睡眠比例增加的情况得到了体现。此外，关于抑郁症患者睡眠行为的某些预测也通过实验进行了测试。
从图中可以看出，曲线S不是线性上升，而是呈抛物线上升并渐近接近最大值。在睡眠中，它又呈指数下降。这种变化过程与上半夜深度睡眠比例较高的情况相符。剥夺睡眠的研究表明，在40小时睡眠剥夺后，睡眠中深度睡眠的比例相应较高。相反，午睡会降低下半夜的深度睡眠比例。因此，过程S的变化过程与睡眠的强度有关，而睡眠强度是通过深度睡眠的比例来衡量的，而不是与睡眠时间相对应。在寻找内源性睡眠物质以解释内稳态时，腺苷似乎是一个合适的候选物质。腺苷是一种抑制性神经递质，在白天在基底前脑积累，并在睡眠期间再次分解。由于这些动力学特性与过程S相符，腺苷也被称为“促眠物质”。但是腺苷是如何积累的呢？大脑的血液流动提供了足够的葡萄糖以满足能量需求。然而，如果某些区域特别活跃，那里的细胞消耗葡萄糖的速度会比补充速度快。这种不足由局部储存的糖原补偿，同时腺苷作为一种“废弃物”积累。咖啡因是腺苷的已知拮抗剂，它抑制腺苷受体。
尽管Borbély本人指出该模型只是一个工作假设，不能完全解释睡眠调节机制背后的复杂性，但在此期间它并没有被完全修订。该模型对基本因素的描述虽然简单，但很恰当，并且在体育领域也能很好地传达。在当前的教科书中，它仍然用于睡眠调节，只是增加了一个超日节律因素。这个因素描述了快速眼动和非快速眼动睡眠之间的变化，它在1975年由Hobson、McCarley和Wyzinski基于胺能和胆碱能神经元的相互作用而初步提出其基本特征。
本文由 郭佰鑫 翻译
参考文献
1. Aschoff, J. (1970). Circadiane Periodik als Grundlage des Schlaf - Wach - Rhythmus. In W. Baust (Ed.), Ermüdung, Schlaf und Traum (pp. 59 - 98). Stuttgart: Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart.
2. Birbaumer, N., & Schmidt, R. F. (2006). Biologische Psychologie (6th Edn.). Berlin: Springer.
3. Borbély, A. A. (2004). Schlaf. Frankfurt am Main: Fischer.
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