一项新的研究强调了早期大脑发育过程中睡眠的重要性，发现睡眠剥夺对幼年小鼠的影响比成年小鼠严重得多。这项研究发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上，研究发现睡眠有助于幼年小鼠形成大脑连接，这对学习和记忆至关重要。这些结果为我们提供了一扇了解为什么儿童可能对睡眠不足更加敏感以及睡眠如何影响他们长期认知发展的窗口。
研究作者、北卡罗来纳大学教堂山分校（University of North Carolina at Chapel Hill，缩写 UNC）助理教授Graham Diering说：“我们为什么需要睡眠是一个长期未解的问题。睡眠越来越被认为是健康的根本支柱。在这项研究中，我们想知道睡眠是否在大脑发育期间具有独特的功能，与成年后有所不同。换句话说，婴儿和儿童需要睡眠的原因是否与成年人不同？随之而来的问题是，在发育期间失去睡眠是否对健康的危害更大，成年人是否会变得更具抗压能力？”
我们特别有动力研究这个问题，因为患有神经发育障碍（包括孤独症谱系障碍）的儿童与同龄正常发育的儿童相比，睡眠障碍的发生率非常高。了解发育过程中睡眠障碍的脆弱性可能为孤独症和其他神经发育障碍带来新的理解和治疗机会。
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Diering 表示：“这项研究也受到了我们实验室早期研究的强烈启发，我们在早期研究中发现，早期慢性睡眠障碍与潜在的遗传易感性相互作用，会导致成年期的长期（永久）社交行为障碍在小鼠中出现。换句话说，在发育的敏感期出现睡眠障碍，与遗传风险相结合，会导致与孤独症相关的表型出现。”
为了进行调查，科学家们研究了睡眠剥夺对三组小鼠的分子和行为影响：幼年小鼠（21-28天大）、青少年小鼠（42-49天大）和成年小鼠（70-100天大）。每只小鼠的睡眠-觉醒行为都通过一种非侵入性的压电系统进行监测，该系统可检测呼吸和运动模式，使研究人员能够准确记录每只小鼠的清醒或睡眠状态。
在建立基线睡眠模式后，小鼠被剥夺睡眠，并在恢复阶段观察其恢复了多少睡眠，研究不同年龄组是否以不同方式弥补失去的睡眠。
研究人员测量了一系列指标以了解睡眠剥夺的影响。在行为上，他们使用一种新颖的物体识别任务，通过测量每只小鼠在熟悉物体和新物体之间花费的探索时间来评估认知表现。在分子层面，他们研究了前脑区域的脑组织，以检查与突触可塑性和生长相关的蛋白质，以及与大脑发育和压力反应相关的特定基因活动。
结果显示，年轻小鼠与成年小鼠在行为和大脑化学方面存在显著差异。在年轻小鼠中，睡眠剥夺产生了深远的影响，导致认知缺陷和记忆表现的损害。在行为测试中，暴露于睡眠剥夺的幼年小鼠在需要记忆和学习的任务中显著挣扎，而成年小鼠在经历相似程度的睡眠剥夺后，其认知能力基本保持不变。这表明年轻大脑可能对睡眠干扰的认知影响更加脆弱，强调了睡眠在早期发育过程中的重要性。
Diering 说道：“我们都本能地知道，婴儿和孩子‘需要睡觉’。我们知道不要吵醒睡觉中的婴儿。当我们让成年老鼠连续4小时不睡觉时，它们在当天晚些时候的正常无干扰睡眠时间出现了明显的增加。我们称之为‘睡眠补偿’，它允许动物弥补失去的睡眠。换句话说，成年老鼠‘熬夜到很晚，第二天睡懒觉’，这是人们非常熟悉的行为。”
令人惊讶的是，当我们剥夺年轻小鼠的睡眠时，它们并没有出现睡眠补偿现象；即使我们相信它们比成年小鼠更需要睡眠，它们也从未弥补失去的睡眠。在这项研究之后，尽管我们试图在发育中的小鼠和成年小鼠之间寻找不同的睡眠缺失反应，但更令人惊讶的是，我们在进行的每一项实验中都发现发育中的小鼠对睡眠剥夺有不同的反应。发育中的小鼠和成年小鼠对睡眠剥夺的反应差异不仅仅是稍微不同，而且是本质上完全不同。
在分子层面，研究人员发现幼年小鼠的睡眠剥夺导致与突触发生相关的脑蛋白质发生明显变化，这些蛋白质是建立神经网络的关键，支持学习、记忆和其他认知功能。
然而，在成年小鼠中，睡眠剥夺并未显著改变这些发育蛋白质，表明虽然成年大脑需要睡眠进行维护和修复，但年轻大脑则需要睡眠以促进持续的生长和发育。这种在幼年小鼠中独特的分子反应突显了睡眠对发育大脑的重要性，它可能有助于促进诸如突触修剪、加强和电路精炼等至关重要的过程，这些过程是终身学习的基础。
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研究还发现，幼年小鼠缺乏成年小鼠在睡眠剥夺中表现出的某些适应性反应。例如，在成年人中，睡眠损失促使特定压力相关和稳态标记物的增加，如Homer1a，这是一种与大脑对睡眠和恢复需求相关的蛋白质。然而，幼年小鼠在这些适应性标记物中表现出较弱或缺失的反应，表明它们可能尚未充分发育出有效对抗睡眠损失影响的机制。这种无法适应的能力使得年轻大脑不仅对睡眠剥夺更加敏感，而且可能在恢复方面能力较弱。
一个特别引人注目的发现是年轻小鼠睡眠剥夺与神经发育障碍相关的蛋白质之间的联系，特别是孤独症谱系障碍。许多在幼年大脑中因睡眠丧失而受影响的蛋白质与孤独症的遗传风险因素相关，这表明在关键发育时期睡眠中断可能与遗传脆弱性相互作用。这一联系指向了一种潜在机制，通过该机制，早期生活中的睡眠剥夺可能导致发育挑战，尤其是在具有先天遗传风险的儿童中。
Diering 解释道“睡眠对你整个生命都非常重要，但对于婴儿和儿童尤其重要。越来越多的人认识到，失去的睡眠很难真正弥补。尤其是在发育阶段，睡眠不足会对大脑发育产生负面影响。一旦发育完成（成熟），我们就无法再回到过去重新开始。”
虽然这项研究为理解睡眠在大脑健康中的年龄特定作用提供了新的见解，但仍需考虑一些限制。首先，该研究是在小鼠身上进行的，因此尽管研究结果为理解大脑发育提供了模型，但将这些结果转化为人类仍需要进一步研究。此外，该研究专注于短期睡眠剥夺；未来的研究可以探讨长期睡眠干扰对大脑发育的影响。
Diering 说：“我们相信我们的项目对理解睡眠干扰与孤独症谱系障碍之间的联系具有重要意义。然而，在这项研究中，我们只进行了急性睡眠剥夺，即单次的睡眠损失，这不太可能导致长期影响。慢性睡眠干扰在临床上更可能与人类患者相关。”
“我们特别进行了这种急性睡眠剥夺，以识别可能与发育期间睡眠损失相关的独特脆弱性，以便进一步在孤独症谱系障碍的背景下进行研究。另一个警告是，这项研究是在小鼠而非人类中进行的。然而，睡眠在所有动物物种中是保守的，在这项研究中，我们认为我们的发现与人类是相关的。”
进一步的研究还可以探讨不同睡眠阶段，如快速眼动睡眠和非快速眼动睡眠，在不同年龄之间的突触发育中所起的作用。未来的研究可以探索将幼年睡眠剥夺与增加神经发育障碍风险联系起来的分子机制，可能揭示针对高风险儿童的新治疗或干预措施。
Diering 还说道：“我们希望进一步研究持续的发育性睡眠损失如何与孤独症遗传风险相互作用，导致行为的持久变化。哪些类型的遗传风险与睡眠损失的更大脆弱性相关？我们是否在男性和女性之间看到重要差异？”
“从长远来看，我们希望利用我们的分子分析更多地了解睡眠益处的基础。睡眠如何在分子层面上修改大脑，以提供各种健康和认知益处的优质睡眠？通过这些见解，我们可以开发下一代睡眠医学——不仅仅是简单的镇静剂，而是使睡眠更有效地治疗。这对于儿童尤其重要。如果睡眠在发育过程中具有不同于成年期的独特功能，我们需要专门开发针对儿童的睡眠药物和治疗方法。目前，没有任何睡眠类药物被批准用于儿童。”
