入睡和醒来，这是每个人在一天当中的关键转换。数百万人在这些转换上遇到了麻烦——他们发现自己在夜间很难入睡，在白天很难保持清醒。尽管经过了数十年的研究，但是，对于大脑科学家们来说，这些转变是如何运作的——我们昼夜节律的神经生物学机制，很大程度上仍然是一个谜。
然 而最近，马里兰大学医学院(UM SOM)的科学家们，确定了这些过程的一个关键通路的作用方式。这个通路似乎对于调节睡眠和觉醒之间的“开关”，发挥了关键的作用。这是第一次有研究以这 种生物物理学的细节，阐明这个过程。相关研究结果发表在最近的《Nature Communications》杂志。
UM SOM的生理学副教授Andrea Meredith博士，专注于一个特定的大脑区域——下丘脑中的视交叉上核。这个区域作为大脑的生物钟，决定着我们何时想去睡觉、我们睡多长时间以及我们 何时起床。在视交叉上核(SCN)中，她专注于特定的离子通道——传导电流的蛋白质，将信息从一个神经元传递到另一个神经元。她专注于一组通道，称为BK 钾离子通道，它们在SCN中似乎特别活跃。
在这项研究中，Meredith博士研究了小鼠，它的时间表与人类是相反的——它们在白天睡觉，夜间出来活动。她发现，BK通道在小鼠觉醒时是活跃的(晚上)，而在白天BK通道是不活跃的。她发现，在白天，BK通道的作用是抑制清醒。
Meredith 教授研究了正常小鼠以及转基因小鼠，后者经过转基因改造，因此它们的BK通道不能被灭活。然后，她通过放置在SCN神经元中的电极，记录这些通道的活性。 在转基因小鼠的大脑中，动物不能灭活BK通道，她发现了低水平的神经活动，这与白天更多的清醒有关。这是不寻常的，因为老鼠通常在白天睡觉。
这 些新的发现是令人惊讶的，有几个原因。研究人员不知道，体内哪些生理过程依赖BK通道失活作为一种机制。科学家已经了解，该通道通过这种方法起作用，但不 知道神经元如何使用这种机制来调节大脑中的信息编码。这项研究首次表明，BK通道失活对于编码大脑中的生理节奏，是至关重要的。
此 前，BK通道一直被认为对于调节其他生理功能至关重要。它们对于激活肌肉是重要的，并对于控制血压、心率和膀胱功能，扮演一个重要角色。在大脑中，BK通 道已知参与调节神经兴奋性，在运动控制、学习和记忆中发挥作用。在大脑中，BK通道的功能障碍与颤动、癫痫、上瘾以及学习和记忆相关问题，联系在一起。
Meredith教授说：“我们知道，BK通道在全身都具有广泛的重要性。但是，现在我们有强有力的证据表明，它们明确而内在性地参与了生物钟周期。这真的是令人兴奋的。”
而且，在过去，科学家们认为，睡眠的昼夜模式在很大程度上是由一种不同的机制驱动，即存在于SCN表面的离子通道的数量。这篇新论文表明，该模型过于简单化了。新的研究表明，关键不在于通道的数量，而在于被激活的通道，更重要的是，在一天中特定时间失活的通道。
这一发现具有临床意义。Meredith教授说，对于这种失活机制的新理解，可能被用来开发靶定昼夜节律的药物。这种药物可以用来治疗睡眠障碍、时差和季节性情绪失调，所有这些都涉及SCN生物钟的问题。
