自閉症譜系障礙(autism spectrum disorder,A SD)是多種神經發育性疾病組成的綜合症。 A SD的兒童盛行率高達1/54，且發生率呈逐年上升趨勢[1]。 睡眠障礙是ASD兒童常見的臨床症狀，有50%左右的A SD兒童有睡眠障礙[2]。 ASD兒童睡眠障礙與其ASD嚴重程度密切相關，有睡眠呼吸障礙和異睡症的兒童的ASD嚴重程度更高，睡眠時間越少的兒童測得的ASD症狀評分越高[3]。 臨床證據[4,5,6,7]證明睡眠障礙可從多方面加劇ASD病程的惡性發展。 首先，睡眠問題會影響ASD兒童的社交能力，睡眠障礙越嚴重的ASD兒童其社交缺陷越明顯[4]。 其次，睡眠障礙會影響ASD兒童的行為表現，ASD兒童重複刻板行為、日常功能性行為困難和注意力不集中均與睡眠障礙相關[5]。 再一次，睡眠障礙會影響ASD兒童的認知功能，ASD兒童的睡眠異常與認知功能缺陷有相關性[6]。 另外，睡眠障礙也會影響ASD兒童的語言功能。 睡眠障礙程度越高的ASD兒童，其語言功能障礙越明顯[7]。 同時，ASD兒童睡眠障礙增加了照護難度和成本，對家庭和社會造成沉重負擔。
ASD兒童的睡眠障礙類型主要包括入睡困難和睡眠保持困難2類，表現為入睡潛伏期長、夜醒以及睡眠效率低等多種形式[8]。 ASD兒童在平日的入睡潛伏期比健康對照兒童長30～45 min,ASD兒童平均夜醒時間長達2～3 h，且睡眠效率普遍偏低[8]。 此外，ASD兒童睡眠腦電圖也呈現多種形式的異常。 正常人的睡眠-覺醒呈現週期性，根據腦波和行為特徵，將每個週期分為覺醒期、非快速動眼(non-rapid eye movement,NREM)睡眠期和快速動眼(rapid eye movement, REM)睡眠期3部分，各個睡眠時相交替出現[9]。 多導睡眠圖分析[10]顯示：ASD兒童覺醒時間變長，NREM睡眠期梭形波減少且總時程變短，REM睡眠期時程變短，眼球運動頻率降低，肌肉痙攣次數增加，少 夢且容易醒來。
目前，ASD兒童的睡眠障礙相關病理機制和神經基礎尚不清楚，缺乏對相關神經機制的系統性討論，這阻礙了對其核心症治療方案的探索。 本文整理歸納了國內外對ASD兒童睡眠障礙神經機制的相關研究，按照睡眠-覺醒週期構成，從ASD兒童覺醒異常、NREM睡眠異常、REM睡眠異常、睡眠-覺醒節律轉換異常4個方面分析了其 可能的神經機制，以期為我國今後的ASD兒童睡眠障礙研究提供理論參考，進而為其核心症狀治療策略研究提供思路。
1 ASD兒童覺醒異常的神經機制
1.1 LC與NE能係統
藍斑(locus coeruleus,LC)是位於腦橋背內側被蓋的一個神經核團，具有維持腦電活動去同步化的作用。 LC是大腦中釋放去甲腎上腺素(noradrenaline,NE)的主要核團，豐富的NE能神經元集中在此。 LC-NE能神經元廣泛投射至皮質、海馬體、丘腦、小腦、腦橋和延髓，釋放興奮性神經傳導物質，提高覺醒水準。 LC神經元放電頻率在清醒時最高，在慢波睡眠期放電減少，而在快波睡眠期放電幾乎停止。 LC神經元興奮可導致瞬間覺醒，抑制會減少覺醒，促進慢波睡眠[11]。
臨床數據[12]顯示ASD兒童LC-NE系統活動異常增強。 靜止瞳孔實驗證實ASD患童的靜止瞳孔直徑明顯增大，顯示LC-NE緊張性活動的增加。 此外，原發性ASD患者血漿中NE的濃度高於健康對照組，這也提示ASD患者LC-NE系統的異常活化[13]。 ASD患者的LC-NE超興奮活動可能與γ-氨基丁酸(γ-aminobutyricacid,GABA)抑製作用減弱有關。 LC神經元活動受到GABA能中間神經元的抑制性調節，GABA受體活化抑制LC神經元的活動。 動物實驗結果[14]顯示：A SD模型小鼠LC神經元突觸前GABA釋放減少，GABA受體功能下降，導致LC神經元呈現超興奮活動。 上述臨床與實驗證據提示：ASD兒童腦內LC-NE系統超興奮活動可能導致ASD兒童覺醒程度增加、睡眠減少。
1.2 下視丘後部組織胺系統
下視丘後部是與覺醒相關的腦區之一，其中的結節乳頭體組織胺能神經元興奮能促進並維持覺醒狀態。 清醒狀態時組胺能神經元活躍，而在NREM和REM睡眠期停止活動。 組織胺受體激動劑可誘導覺醒，拮抗劑則促進睡眠[15]。 Wright等[16]比較了A SD患者和健康對照人群腦內組胺受體相關基因，包括組氨酸脫羧酶(h i s t i d i n e d e c a r b o x y l a s e,H D C)、組胺甲基化轉移酶(h i s t a m i n e N-m e t hy l t r a s t HNMT)、組織胺H1受體(histamine receptor H1,HRH1)、組織胺H2受體(histamine receptor H2,HRH2)、組胺H3受體(histamine receptor H3,HRH3)、組胺H4受體(h i s t a m i n e re c e p to r H 4,HRH4)等相關基因。 他們發現，ASD患者HRH1、HRH2、HRH3基因表現量高於健康對照組。 編碼組胺受體的基因改變導致腦內睡眠相關核團組胺受體增多，放大組胺促覺醒的作用，這可能是導致ASD兒童覺醒期延長的原因。
1.3 下視丘外側食慾素系統
下視丘外側區也是促進維持覺醒的腦區之一，此區有豐富的食慾素能神經元。 下視丘外側區的食慾素能神經元纖維在大腦中廣泛投射，與進食、認知、壓力、新陳代謝等功能有密切關係。 下視丘外側區的食慾素能神經元纖維也廣泛投射到睡眠相關腦區，能廣泛提高覺醒相關神經元的興奮性，維持覺醒狀態並縮短REM與NREM睡眠時長[17]。
臨床數據[18]顯示：ASD患者血漿中食慾素濃度高於健康對照組，食慾素系統呈現超興奮活動。 關於ASD患者食慾素能係統異常興奮的機制現在尚不清楚，有研究[19]提示可能與杏仁核調控有關。 食慾素能神經元活動受杏仁核調控，杏仁核功能異常會引起食慾素能神經元超興奮。 某些A S D患者雙側杏仁核出現結構功能異常，包括杏仁核體積增加，杏仁核細胞密度增加[20]，杏仁核神經元同步化活動受到抑制[19]，且功能性磁振造影(functional magnetic resonance imaging,f MRI)結果[21]顯示杏仁核與其他腦區的功能連結降低，導致其對多種生理功能的調控作用減弱[22]。 上述證據提示：ASD患者杏仁核異常可能影響其對食慾素能神經元的調控功能，造成下視丘外側區食慾素能神經元超興奮，導致ASD患者覺醒時間延長。
1.4 中腦黑質緻密部多巴胺系統
中腦黑質緻密部和腹側被蓋區是覺醒相關核團，人體大部分多巴胺能神經元都位於此處，其分泌的多巴胺可有效促進並維持覺醒。 研究[23]發現：多巴胺轉運體(dopamine transpor ter,D A T)敲除小鼠中腦黑質緻密部多巴胺濃度增加，小鼠日間覺醒時間明顯延長、R E M睡眠期明顯縮短。 多巴胺受體激動劑會誘發去同步化腦波和行為覺醒，而多巴胺拮抗劑會產生鎮靜和促睡眠作用。
臨床證據和模型動物實驗結果[24,25,26,27]均顯示某些類型的ASD存在編碼DAT的基因突變。 泛素蛋白連接酶E3A(ubiquitin protein ligase E3A,UBE3A)基因異常是某些ASD兒童的疾病原因[24],UBE3A基因缺失會降低DAT功能，進而影響多巴胺重攝取[25]。 臨床上還存在溶質載體家族6成員3(solute carrier family6 m e m b e r 3,S LC 6 A 3)基因突變的A S D患者[26],S LC6A3基因突變造成DAT功能異常，多巴胺持續流出細胞，導致細胞外多巴胺濃度 異常升高[27]。 因此，有編碼DAT基因突變的ASD患者，腦內DAT功能異常造成覺醒相關的核團中多巴胺濃度升高，可能導致ASD患兒覺醒期延長。
2 NREM睡眠異常的神經機制
2.1 丘腦網狀核
研究[28,29]顯示皮質-丘腦之間的功能連結對睡眠調節有重要作用。 皮質-丘腦功能連接受神經調控，呈現動態變化。 f MRI資料[28]顯示：健康成年人在NREM睡眠期丘腦-皮質功能連結降低，丘腦傳入皮質的資訊減少，從而保證人從清醒狀態進入NREM睡眠狀態。 另外f MRI資料[29]顯示：ASD兒童丘腦-皮質功能連結調控作用缺失，造成丘腦-皮質功能連結異常增加，導致ASD兒童無法順利由清醒進入NREM睡眠，產生睡眠障礙。 丘腦網狀核(thalamic reticular nucleus,TRN)在丘腦-皮質功能連結調節中發揮關鍵作用。 TRN受到丘腦-皮質系統的特異性興奮作用，進而透過其GABA能神經元纖維投射抑制整個背側丘腦的活動，這使得TRN成為控制丘腦-皮質環路的抑制性閘門，透過有效控制丘腦-皮質 功能連接，發揮鎮靜促睡眠作用[30]。
TRN主要由GABA能神經元構成，神經元活動產生的緩慢同步化振盪能夠阻斷大腦皮質和邊緣系統對感覺訊息的加工，進而促進睡眠。 光遺傳活化TRN神經元後，小鼠NREM睡眠期延長，δ波頻率增加且振幅明顯增強，小鼠肌張力降低、活動減少並進入睡眠狀態[31]。 此外，TRN神經元活動對NREN睡眠期梭形波的形成有重要的調節作用。 梭形波是NREM睡眠期的特徵性腦波，它能減少外部刺激對睡眠中大腦的影響並穩定睡眠。 睡眠梭形波是由TRN細胞週期放電誘發的低閾值Ca2+電流引起，切斷皮質-丘腦環路細胞與TRN神經元連結後梭形波消失[32]。
TRN神經元活動與補丁結構域的蛋白質1(patchdomain containing protein 1,PTCHD1)密切相關。 在小鼠早期發育中，PTCHD1在小鼠的TRN中選擇性表達，並在成年後繼續高表達。 PTCHD1基因敲除的小鼠TRN神經元在睡眠狀態中放電活動減少，導致NREM睡眠梭形波減少[33]。 臨床上約1%的ASD患者有PTCHD1基因突變，基因轉錄活性顯著降低[34]。 此外，ASD模型小鼠TRN神經元與野生型小鼠相比體積較大[35]。 這些結果提示：T R N神經元結構功能異常可能是導致某些A S D兒童NREM睡眠時間縮短、梭形波減少的原因。
2.2 短鏈脂肪酸
短鏈脂肪酸是人類結腸內的棲息菌叢所產生的重要代謝物，包括乙酸、丙酸、丁酸等[36]。 其中丁酸鹽可透過腦腸軸抑制腦幹上行網狀系統，促進睡眠並延長NREM睡眠時間[37]。 腸道菌叢代謝研究[38]發現：許多ASD患者存在腸道菌叢紊亂，腦中丁酸等短鏈脂肪酸含量普遍低於健康對照組。 因此，腸道菌叢紊亂以及後續丁酸鹽等睡眠相關短鏈脂肪酸減少，導致對腦幹上行網狀系統的抑製作用減弱以及NREM睡眠時間減少，可能是引起ASD兒童NREM睡眠異常的機制之一 。
2.3 鐵元素
鐵是維持睡眠的重要物質之一，同時也是參與神經傳導物質合成的一系列酵素的重要組成成分。 研究缺鐵性貧血對嬰幼兒睡眠影響的實驗結果[39]顯示：鐵元素的缺乏會導致多巴胺等睡眠相關神經傳導物質代謝異常，減少睡眠時間，影響NREM期梭形波的形成。 Reynolds等[40]測定了ASD兒童血清中鐵蛋白濃度，發現部分ASD患童血清鐵含量明顯減少。 ASD患者的缺鐵性貧血發生率高於正常人，人體血液成分分析結果[41]也顯示ASD患者血液中血紅素水準較正常人較低。 上述結果提示：ASD患者體內鐵元素缺乏引起多巴胺等睡眠相關遞質代謝異常，進而導致NREM睡眠期梭形波異常，可能是導致ASD患者NREM睡眠異常的原因。
2.4 維生素A
人體維生素A的主要來源是食物攝取。 研究[42]顯示：維生素A對於NREM睡眠期腦波圖中δ振盪的產生與維持有重要作用。 Guo等[43]比較了ASD兒童(n=332)與健康發育兒童(n=197)血清中維生素A含量，發現ASD兒童維生素A含量明顯低於健康發育兒童。 不難理解，ASD患者維生素A水平降低，引起NREM睡眠期δ振盪減少甚至消失，導致ASD患者NREM睡眠腦節律振盪異常。
3 REM睡眠異常的神經機制
3.1 中縫
背核
中缝背核(dorsal raphe nucleus,DRN)中的五羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)能神经元有促进觉醒、减少REM睡眠的功能，被称为REM-off神经元。REM睡眠期间DRN 5-HT能神经元放电频率与觉醒期相比明显降低。向DRN内微量注射对氯苯丙氨酸阻断5-HT合成后，可导致睡眠增多，尤以慢波睡眠增加为主[44]。
5-HT是ASD的生物标志物，与健康照对组人群相比，30%的ASD患者血液中的平均5-HT水平显著高于健康对照组[45]。由此可推测，ASD患者DRN中的5-HT能神经元活动增加，导致其REM-of功能增强，这可能是导致某些ASD儿童REM睡眠时程变短的原因。
3.2 杏仁核
最近在Science上发表的文章[46]报道了REM睡眠的启动受杏仁核调节。通过光遗传激活瞬时增加杏仁核的多巴胺水平后，处于NREM睡眠状态的小鼠NREM睡眠立刻终止，同时REM睡眠启动。研究[47]证实：多巴胺通过与杏仁核神经元上多巴胺II型受体结合，引起NREM睡眠向REM睡眠的转换[46]，而抑制杏仁核活动后REM睡眠时间会缩短。
在ASD病理状态下，杏仁核结构功能会发生非常复杂的变化。一方面，如前1.4所述，ASD患者脑内多巴胺浓度存在异常改变。而且临床正电子发射断层显像(positron emission tomography,PET)检查结果[48]也表明ASD患者脑内多巴胺受体结合能力出现异常变化。另一方面，如1.3所述，ASD患者杏仁核神经元存在结构功能异常。杏仁核与其他脑区的功能连接降低，导致其对很多生理功能的调节能力减弱。因此，ASD病理状态下杏仁核与多巴胺系统复杂的改变造成多巴胺与杏仁核神经元II型多巴胺受体结合异常，这可能是导致某些ASD儿童REM睡眠异常的原因。
4 睡眠-觉醒节律转换异常的神经机制
4.1 褪黑素
褪黑素是人体参与睡眠-觉醒周期和昼夜节律调节的重要激素，由松果体在夜间合成。褪黑素与视交叉上核的褪黑素受体结合后，会促进睡眠启动、减弱昼夜节律钟的唤醒。研究[49]显示内源性褪黑素产生后的几小时内夜间睡眠倾向会急剧增加。
临床数据[50]显示：约65%的ASD患者的血浆褪黑素水平低于健康对照组平均值的一半，应用褪黑素治疗可增加ASD患者睡眠持续时间，这提示ASD患者睡眠障碍与松果体功能失调以及褪黑素的缺乏有关。因此，松果体功能障碍导致的褪黑素水平下降，可能参与ASD儿童入睡时间延长和睡眠时间缩短的病理过程。
4.2 基底前脑
乙酰胆碱是与唤醒相关的重要神经递质，人体存在2组乙酰胆碱能神经元：一组位于脑干，另一组位于基底前脑。基底前脑胆碱能神经元在睡眠-觉醒周期中发挥皮层激活作用，能促进睡眠由N R E M睡眠状态向觉醒状态或向R E M睡眠状态转换。基底前脑乙酰胆碱水平在觉醒期和REM睡眠期间很高，而在慢波睡眠期间很低[51]。
Riva等[52]发现ASD儿童基底前脑及其连接区域的灰质体积减小。此外，ASD患者基底前脑胆碱能神经元的病理研究[53]显示：ASD患者基底前脑胆碱能神经元结构功能存在异常，ASD儿童胆碱能神经元的大小和数量均大于健康对照儿童。因此，ASD儿童基底前脑病变引起基底前脑胆碱能神经元结构功能异常，造成其对睡眠时相的转换调控作用失常，这可能是引起ASD儿童睡眠障碍的神经机制之一。
5 结语
睡眠是生物界普遍存在的自然现象，是所有哺乳动物不可或缺的生理过程。睡眠占据了生命将近1/3的时间，良好的睡眠是大脑发育、执行功能和认知功能发展的重要保障。正常人的睡眠-觉醒呈周期性，各个睡眠时相交替出现。但ASD儿童睡眠时相紊乱，表现为觉醒时间延长、NREM睡眠期梭形波减少且总时程变短，R E M睡眠时程变短、R E M睡眠期少梦及容易醒等症状。如图1所示，ASD患者脑内存在LC-NE能系统功能亢进，下丘脑后部组胺系统受体增加，下丘脑外侧区的食欲素系统异常活跃、DAT功能异常。这些因素可造成ASD儿童脑内促觉醒功能增强，这可能是导致ASD儿童睡眠潜伏期延长、睡眠总时程缩短、夜间容易醒来的神经病理因素。参与ASD儿童NREM睡眠期缩短，特征脑电波改变的神经机制可能有：丘脑网状核GABA能神经元活动程度降低，肠道菌群紊乱通过脑-肠轴造成脑内丁酸等睡眠相关短链脂肪酸减少，以及体内铁离子和维生素A等NREM睡眠调节相关物质减少。参与REM睡眠异常的可能神经机制有：DRN 5-HT神经元功能增强，杏仁核对睡眠调控作用异常。而松果体合成分泌的褪黑素减少以及基底前脑胆碱能神经元结构功能异常，可引起睡眠-觉醒节律转换异常，导致ASD儿童睡眠保持困难，容易夜间醒来。
本研究聚焦于引起ASD儿童睡眠障碍的神经机制，研究内容将有助于加深对ASD儿童睡眠障碍病理机制的理解。通过对睡眠障碍发生的不同环节实施相应的干预，有望改善ASD儿童的睡眠障碍，为探索ASD儿童睡眠障碍核心症状的治疗策略提供理论基础。目前国内对ASD儿童睡眠障碍治疗的研究尚处于起步阶段，开发出更适合于中国ASD儿童的干预措施尤为必要。从认知神经科学的视角加深对ASD睡眠障碍神经机制的理解，寻找针对核心症状的治疗方法，是今后研究的重要方向。
對於兒童自閉癥的治療，中醫針灸界主要是用靳三針療法。其中的益智四項，即智三針，腦三針，顳三針與四神針是治療兒童自閉癥的最主要針處方。