入睡和醒来是每个人的一天过渡的关键。数以百万计的人很难有这些转换——他们发现很难入睡或晚上入睡,白天很难保持清醒。尽管经过数十年的研究,这些转换是如何工作的——我们昼夜节律的神经生物学机制——仍然很大程度上是一个谜对大脑科学家来说。

     然而现在,在索马里马里兰大学医学院的科学家们已经确定这些过程的一个关键途径的运作。这个途径在调节觉醒和睡眠之间的“开关”似乎发挥关键作用。这是第一个用生物物理学详细地阐明这个过程的研究。

     索马里生理学副教授，安德里亚·梅瑞迪斯博士,注意于,在下丘脑视交叉上核一个特定的大脑区域。这个区域担当大脑的生物钟,决定我们想去睡觉的时间,我们睡觉多长时间,何时我们想起床。在视交叉上核里,称为视交叉上核SCN,她集中于特定的离子通道,带有导电电流的蛋白质,传递信息从一个神经元到另一个神经元。她注意到一组称为BK钾离子通道的通道,似乎在视交叉上核特别活跃。

     最近发表在自然通讯的文章,梅瑞迪斯博士研究了与人类相反的老鼠的时间表,他们在白天睡觉,晚上活动。她发现BK通道在醒着时是活跃的,对老鼠来说是晚上；在白天BK通道是不活跃的。她发现在这个日间环境下,BK通道的作用是抑制清醒。

     梅雷迪思教授研究了正常小鼠以及BK通道不能灭活的转基因老鼠。然后她通过在视交叉上核的神经元放置电极，记录在这些通道活性。转基因组的大脑里,动物不能灭活BK通道,她发现低水平的神经活动,这是更多的与白天的清醒有关。这是不寻常的,因为老鼠通常在白天睡觉。

     新的发现是令人惊讶的,有几个原因。研究人员不知道任何依赖BK通道失活的体内生理过程的机制。科学家已经知道通道这种作用方式,但不知道神经元如何使用这种机制来调节大脑中信息的编码。这是第一个研究表明BK通道失活对编码大脑生理节奏至关重要。

    此前,BK通道已经被认为对调节其他生理功能是重要的。他们对肌肉活动是重要的,在控制血压,心率,膀胱功能扮演一个重要角色。在大脑中,BK通道已经知道是参与调节神经兴奋性,起一个运动控制作用,学习和记忆。在大脑中,BK通道功能障碍与颤抖,癫痫,上瘾,并与学习和记忆问题有关。

    “我们知道BK通道对于整个身体很重要,“梅雷迪思教授说。“但是现在我们有强有力的证据表明,他们明确和本质上参与到生物钟的周期中。这真的是令人兴奋的。”

     在过去,科学家们认为开关的昼夜模式在很大程度上被一个不同的机制,存在SCN神经元表面的离子通道的数量驱使。新论文表明该模型过于简单化了。新的研究表明,关键不在于渠道的数量,但事实上,通道被激活,更重要的是,在一天中的特定时间灭活。

     这个发现有临床意义。梅雷迪思教授说失活机制的新理解可能被用来开发昼夜节律的目标药物。这种药物可以用于治疗睡眠障碍,时差,和季节性情绪失调,涉及SCN生物钟的所有问题。