睡眠是人體的一種主動過程，可以恢復精神和解除疲勞。充足的睡眠、均衡的飲食和適當的運動，是國際社會公認的三項健康標準。醫學研究表明，偶爾失眠會造成第二天疲倦和動作不協調，長期失眠則會帶來注意力不能集中、記憶出現障礙和工作力不從心等後果。睡眠不足可能會導致精神類疾病（例如抑鬱症）、退行性疾病（例如阿爾茲海默症）、免疫力下降、心血管疾病以及代謝紊亂（肥胖、糖尿病），而成年人通常需要7-9小時的睡眠時間（此刻科研人員留下了心酸的淚水）。
經典的睡眠調控模型認為，睡眠的調節分為兩個方面，晝夜節律和睡眠穩態。晝夜節律透過內在的生物鐘控制一天中睡眠覺醒的時間；睡眠穩態主要由睡眠壓力進行調控，控制機體獲得一定的睡眠量。而對於睡眠-覺醒之間的機制研究，科學家們有以下新發現。
1，“睏意”究竟如何在腦中產生
中科院腦科學與智慧技術卓越創新中心（神經科學研究所）的徐敏研究組與北京大學李毓龍研究組，合作揭示了“睏意”究竟是如何在腦中產生的。
他們發現細胞外腺苷含量在清醒時高，而在非快速睡眠(NREM)時低。使用光纖記錄系統檢測新型腺苷探針的熒光變化，科學家們可以看到小鼠在NREM期每0.1秒之內發生的快速變化。他們首次發現，腺苷在快速眼動睡眠時期也存在很高的濃度，並且高於清醒和非快速眼動期。不僅如此，他們還觀察到，腺苷濃度在睡眠不同時期的轉變存在快速的變化，這意味著神經元活動與腺苷濃度密切相關。
利用鈣成像和光遺傳學等技術，他們在小鼠的基底前腦區（BF）找到了負責調控腺苷釋放的兩類神經元：乙醯膽鹼能神經元和穀氨酸能神經元，其中谷氨酸能神經元的活動是引起胞外腺苷積累的主要原因。選擇性地切除BF穀氨酸能神經元后細胞外腺苷的增加明顯減少。此外，選擇性損傷BF穀氨酸能神經元的小鼠表現出睡眠穩態調節受損，在活動期覺醒明顯增加。
Neural control of rapid adenosine dynamics and sleep homeostasis. (A) Simultaneous optical recording of the Ca2+ activity and adenosine concentration using GCaMP and GRABAdo reveals neural activity–dependent rapid adenosine dynamics in the mouse basal forebrain (BF) during the sleep-wake cycle. (B) Optogenetic activation of BF glutamatergic neurons evokes a robust increase of extracellular adenosine. (C) Cell type–specific lesion of BF glutamatergic neurons significantly increases wakefulness.
2，黑質網狀部（SNr）的特定神經元共同調控“睡眠-覺醒”的大腦狀態和運動行為
美國加州大學伯克利分校Yang Dan研究組，中科院自動化所韓華團隊和韓國科學技術院Se-Bum Paik團隊共同發現，黑質中存在一個睡眠和運動的共同控制樞紐。黑質中的GABA能神經元整合大範圍的輸入，並透過側支投射啟用多個促進覺醒和運動控制迴路。
透過對小鼠的籠養行為進行分析，可以確定四種具有不同水平的大腦喚醒和運動活動的狀態：運動、非運動、安靜的清醒和睡眠。結合光遺傳和在體電生理技術，他們發現睡眠-覺醒的大腦狀態和運動行為是由黑質網狀部(SNr)的特定群體神經元共同調控的。穀氨酸脫羧酶2（GAD2）而非小清蛋白(PV)陽性神經元亞群在低運動活動和覺醒狀態下優先活躍，它們的啟用或失活分別會影響自然行為轉變的方向，並且促進或抑制睡眠。SNr外側PV神經元在高運動活動狀態下放電率較高，其啟用或失活則會增加或減少了運動終止。SNr內側GAD2神經元在低運動活動狀態下優先活躍，在抑制運動的同時，它們的啟用有力地增強了從清醒到睡眠的過渡。
3，藍斑核（LC）-去甲腎上腺素（NE）的活動對於睡眠覺醒以及活動應激的具體調控作用
睡眠的一個顯著特徵是對外界刺激的反應性降低，但介導覺醒的相關機制仍不清楚。已有研究提示藍斑核（LC）去甲腎上腺素（NE）活性對睡眠覺醒以及活動應激的調控作用。
以色列特拉維夫大學團隊使用電生理學、行為學、藥理學和光遺傳學技術以及聽覺刺激對行為自由的大鼠進行測試。他們發現，去甲腎上腺素（NE）的減少，降低了聲音喚醒(SEAs)的機率。光遺傳學啟用LC促進覺醒，在睡眠覺醒過渡、腦電圖去同步化和瞳孔擴張反應中十分明顯；相反抑制LC活動引起瞳孔收縮。LC的短暫失活降低了NREM期發生SEAs的可能性。因此，LC-NE的活動決定了感覺喚醒的可能性，而它在睡眠期間的減少是介導行為無反應的關鍵因素。
Fig. 1. Lower NE signaling decreases the probability of SEAs from NREM sleep. (A) Representative EEG and EMG traces showing immediate awakenings (top) versus maintained sleep (bottom) after auditory stimulation (4-kHz pure tone, 1-s duration; orange bars) in NREM sleep (left) and REM sleep (right). (B) Probability of awakenings (%) as a function of sound intensity in NREM sleep (purple) and REM sleep (dark blue). Gray circles show individual subject data (n = 4 rats). (C) Schematic of experimental setup for rat arousal threshold experiments (each lasting ~12 hours during lights on periods, with ~400 tone pips presented every 105 s on average). Sounds were delivered intermittently from speaker on top, while animals were continuously monitored with EEG, EMG, and video. In pharmacological experiments, NE drugs were injected intraperitoneally at lights on (10:00 a.m.). (D) Probability of awakenings (%) as a function of sound intensity in NREM sleep following administration of detomidine (α2 agonist, lower NE; green), yohimbine (α2 antagonist, higher NE; blue), or saline (gray). Note that lower NE decreases awakening probability. Two-way repeated-measures (RM) ANOVA, followed by post hoc t tests corrected with false discovery rate (FDR) *P < 0.05 and **P < 0.01 in n = 6 rats.
4，腹側蒼白球對於覺醒和動機的調節作用
復旦大學黃志力課題組在之前的研究基礎上（伏隔核中的D1受體和D2受體陽性神經元分別調控覺醒和睡眠）探究腹側蒼白球（VP）對於覺醒和動機的調節作用。使用光纖記錄方法發現，腹側蒼白球中抑制性GABA能神經元在覺醒期活性升高，而在睡眠期降低，提示GABA能神經元可能調控覺醒，變性或抑制此類神經元則可能顯著降低覺醒並抑制動機行為。
作者應用化學遺傳學和光遺傳學技術研究VP GABA能神經元在啟動或維持覺醒中的潛在因果作用，在體實驗中使用光遺傳學刺激受腹側被蓋區(VTA)支配的VP GABA能神經元，透過解除VTA多巴胺能神經元的抑制，強烈促進覺醒。體外實驗顯示VP GABA能神經元原則上抑制VTA GABA能神經元，但也抑制VTA多巴胺能神經元。此外，光遺傳學刺激VP GABA能神經元末端實驗顯示，它們透過支配外側下丘腦而促進覺醒，但對中丘腦或外側韁核無效。
文章系統地闡明瞭伏隔核-腹側蒼白球-中腦腹側被蓋區調控動機行為和覺醒的神經環路，表明VP – GABA能神經元是覺醒和動機行為的整合中樞，對於動機相關的覺醒必不可少。
Fig.1 Population activity of VP GABAergic neurons across sleep–wake states. a Schematic of in vivo fiber photometry recordings. b Unilateral viral targeting of AAV-EF1α-DIO-GCaMP6f into the VP of a Vgat-Cre mouse. Right: Viral expression of GCaMP6f and the placement of the fiber-optic probe in the VP. Scale bar = 200 μm. c GFP-expressing cells were GABA-positive. Scale bar= 20 μm (n= 4 mice). d Representative fluorescent traces, relative EEG power, and EEG/EMG traces across spontaneous sleep–wake states. e ΔF/F peaks during wakefulness, NREM sleep, and REM sleep. The fluorescent peak values were normalized by the mean ΔF/F peaks during NREM sleep (n = 4 mice, ten sessions per mouse, **P < 0.01, one-way ANOVA followed by Tukey’s post-hoc test).
5，哺乳動物睡眠/覺醒新神經通路---SCNGABA-CRF-LHAORX
在哺乳動物中，位於大腦視交叉上核(SCN)神經元中的中央晝夜節律時鐘調節著睡眠-清醒週期。儘管人們已經明確SCN在調節睡眠/覺醒方面的重要性，但對於來自SCN的神經元投射對於睡眠/覺醒的調控作用還未清楚。
日本名古屋大學神經科學部研究小組發現了一條新的神經通路，它將哺乳動物的晝夜生物鐘、壓力和清醒聯絡在一起。該團隊發現了一種被稱為皮質激素釋放因子（CRF）的神經元，當哺乳動物處於壓力之下時，這種神經元會變得過度活躍，從而可能引發失眠和其他睡眠障礙。
光遺傳學啟用CRF神經元透過外側下丘腦（LHA）的食慾素神經元（Orexin）促進覺醒。體內鈣離子記錄顯示，CRF神經元在覺醒開始時處於活躍狀態。此外，使用化學遺傳學抑制CRF神經元可以減少運動活動和清醒狀態時間。鈣成像結果顯示，CRF神經元活性受到SCN中GABA能神經元的負性調節。
Fig. 1. Optogenetic stimulation of the CRF neurons in the PVN promotes wakefulness. (A) Schematic drawing of anterograde tracing experiment (top) and fluorescence image of the SCN in a GAD67-Cre mouse injected with AAV-CMV-flex-hrGFP (bottom). (B) Fluorescence images of several brain areas in a GAD67-Cre mouse with AAV-CMV-flex-hrGFP injected into the SCN. (C) Schematic drawing of optogenetic activation experiment in vivo and fluorescence image of the PVN in a CRF-Cre mouse injected with AAV-CMV-flex-ChR2-EYFP. (D) A fluorescence image of ChR2-EYFP (green), CRF (red), and DAPI (4′,6-diamidino-2-phenylindole) (blue) of the PVN in a CRFCre mouse. (E) A representative example of the electroencephalography (EEG) and electromyography (EMG) traces, together with the EEG power spectrum. The blue bar indicates light stimulation (10 Hz for 30 s). (F) Probability of wakefulness and NREM and REM sleep before, during, and after blue light stimulation (mean ± SD). Blue shading areas indicate light flashing. (G) Statistical results of the probability of a vigilant state before (indicated as “b”), during, and after blue light stimulation. The mean probability during 12 s (three epochs) obtained from (F) is shown in the bar graphs (mean ± SD; n = 5). Blue characters (1 to 3) indicate during stimulation (*P < 0.05 versus baseline; one-way repeated-measures analysis of variance with post hoc Tukey-Kramer test, or Friedman test with post hoc Steel-Dwass test). PVT, paraventricular thalamus; OVLT, organum vasculosum laminae terminalis; AVPV, anteroventral periventricular nucleus; VMH, ventromedial hypothalamus; D3V, dorsal part of the third ventricle.