2016年4月29日《科学》杂志上的一项研究，揭示出控制睡眠-觉醒周期的生物学机制。它证实简单地改变脑脊液中的化学物质平衡就可以改变动物的意识状态。这个研究思路非常巧妙，又让人觉得符合逻辑。离子浓度和神经元兴奋性的关系十分密切，甚至是决定神经元兴奋性的开关。只不过过去我们没有把这种似乎属于环境状态的因素看成调节或信号模式，这属于自我欺骗或自我麻醉的错误，有时候阅读文献时我们会觉得自己真傻。真正最重要的调节信号往往是那些最常见最基本的信号因素。例如二氧化碳浓度、氧气浓度、基本离子浓度、血糖浓度，那一个不是要命的信号。可惜我们在研究中往往把这些作为不重要的，或者理所当然的简单道理，不仅不深入研究，甚至视而不见。

神经科学领域的共识认为，大脑是被包括乙酰胆碱、组胺、5-羟色胺、去甲肾上腺素和多巴胺等神经递质组成的鸡尾酒“唤醒”，这些神经递质源自大脑及脑干的神经组织结构。这一化学信使鸡尾酒发挥作用启动大脑清醒神经元，激活大脑皮层及负责记忆、思考，将大脑置于清醒状态的其他大脑区。但这一经典模型并不能完全解释大脑是如何快速激活数十亿神经细胞的，这是变得警醒，开始处理来自外部世界信息的必要条件，或者当到了睡眠的时候它是如何降低这一活性的。也不能解释随着时间推移大脑维持清醒或睡眠状态的机制。最新这项发表在《科学》的研究将焦点放在了脑脊液中一些离子浓度上，发现这些离子浓度改变不仅在刺激或抑制神经细胞活性中起关键作用，似乎在我们睡觉的时候也改变了细胞体积导致脑细胞缩小，这一过程帮助了清除废物。这些研究结果也看上去非常“自然”，因为离子浓度是决定细胞膜电位的关键因素，当这些离子水平发生变化时，整个大脑的兴奋性发生步调一致的调整，几乎就是一种必然。另外，金属离子和水密切相关，离子多的时候，这个区域的水就多，这也是决定细胞体积的关键。

领导这一研究的是美国罗彻斯特大学转化神经医学中心联合主任Maiken Nedergaard博士。任职于华中科技大学同济医学院及罗彻斯特大学的丁凤菲（Fengfei Ding）博士和罗彻斯特大学的John O’Donnell是这篇论文的共同第一作者。丁凤菲博士的主要兴趣是研究离子在调控中枢神经系统生理和病理过程中所起的作用。Nedergaard说：“了解是什么驱动了觉醒对于阐明睡眠时的意识及无意识至关重要。我们发现从觉醒过渡至睡眠伴随着一些重要胞外离子浓度及细胞外间隙体积的显著及持续改变。”

新研究揭示，睡眠-觉醒状态取决于脑脊液中的离子浓度和平衡，而不是过去认为的神经递质。改变脑脊液中钾离子、钙离子、镁离子和一些离子的浓度，研究证明在不改变神经递质情况下控制小鼠的睡眠-觉醒状态。其中，钾离子起关键作用，在睡眠-觉醒过渡过程中钾离子水平发生快速波动，和大脑的兴奋状态呈现相关性。人们早就知道，细胞外的离子浓度会发生这些规律性变化，但过去一直将这些改变看作是睡眠-觉醒周期变化的结果，而不是这些离子浓度波动才是导致睡眠和觉醒的启动原因，这是典型的原因和结果颠倒。这也说明，人们过去可能一直被自己的旧知识框架蒙蔽，对这种简单道理视而不见，离子浓度才是，而且一直是决定神经元兴奋性的关键，现在发现是决定整个大脑整体兴奋性的核心因素。

Nedergaard说：“简单改变胞外离子组成就可唤醒沉睡动物，也可以让清醒动物睡去，这一事实提供的直接证据表明，离子浓度调节大脑兴奋性机制在调控意识状态中也一定会发挥关键作用（这是延伸，但应该是正确的，下一个应该用MRS等技术开展人的大脑意识状态的研究，也可以用LSD刺激观察这一药物的影响）。”由于这些都是正离子，在脑脊液与脑细胞之间来回移动时，可以改变细胞膜电位，导致细胞膜极化或去极化。去极化时细胞变得易兴奋、警觉和清醒；极化的情况正相反，容易出现睡眠。这些研究结果可能揭示了，当从睡眠过渡至觉醒时，大脑能够通过改变离子浓度快速、整体激活数十亿神经细胞。它可能还揭示，大脑能够在很长一段时间通过改变神经细胞的电位来维持睡眠或清醒状态。研究人员还观察到，这些离子浓度改变可影响脑细胞体积。睡觉时大脑神经细胞和胶质细胞体积缩小，细胞外间隙扩大，这为脑脊液冲走废物创造了更多空间。

通过确定这一新机制，研究为调控睡眠-觉醒周期，开发睡眠药物，帮助科学家们更好地了解长期昏迷过程中丧失意识指出了一些新思路。