2025年5月15日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）刘丹倩研究团队组在《Cell Metabolism》在线发表题为《Hydrogen peroxide in midbrain sleep neurons regulates sleep homeostasis》的研究论文，首次揭示了过氧化氢（H₂O₂）作为氧化还原信号分子参与睡眠稳态调控的因果作用及其神经机制。研究团队创新性地建立了在体监测H₂O₂动态、精确操控其浓度的化学遗传学与光遗传学技术体系，发现中脑黑质网状部（SNr）的GAD2睡眠神经元胞浆中的H₂O₂累积，是睡眠压力变化的全新分子标记物。适量上调这些睡眠神经元中的胞浆H₂O₂可驱动睡眠发生，而下调H₂O₂降低睡眠需求，明确其在睡眠稳态中的关键作用。机制研究进一步表明，H₂O₂通过激活TRPM2阳离子通道增强该类睡眠神经元的兴奋性，从而启动睡眠发生。

早在1994年，E. Reimund就提出了“睡眠的自由基理论”（The free radical flux theory of sleep），认为觉醒状态下自由基积累或是促发睡眠的信号之一。尽管果蝇研究提供了初步支持，但在哺乳动物中的研究长期受限于活性氧（ROS）信号的复杂性和技术手段的不足，缺乏直接证据，近年的研究存在较大争议。本研究首次在哺乳动物大脑中构建了具备细胞类型和亚细胞特异性的在体监测与操纵体系，明确了H₂O₂在睡眠稳态调控中的关键作用，不仅为氧化还原信号的精准研究提供了全新范式，也为揭示睡眠调控的进化保守机制奠定了基础。

研究首先采用ROS荧光染料二氢乙锭（DHE）进行的在体标记和全脑原位检测，发现6小时的睡眠剥夺造成多个脑区的ROS水平升高，其中睡眠调控相关的脑区的变化最为显著（图Ⅰ）。结合遗传编码的H₂O₂荧光探针roGFP2-Orp1与光纤记录技术，建立了可用于小鼠深部脑区、特定亚细胞结构中H₂O₂动态变化的在体实时成像手段，系统监测了多种神经元类型在睡眠清醒周期的信号动态特征。结果发现，SNrGAD2睡眠神经元胞浆（而非线粒体）H₂O₂水平随觉醒时间延长而特异性升高，且这一趋势在自然觉醒和强迫性觉醒（睡眠剥夺）中均可观察到，表明H₂O₂动态变化可作为睡眠压力的重要分子表征（图 Ⅱ）。进一步，研究构建了细胞类型特异性的H₂O₂在体调控系统，明确了其在睡眠稳态调控中的因果性作用： 下调这些睡眠神经元的胞浆H₂O₂水平（通过过表达过氧化氢酶Catalase），可降低小鼠的本底睡眠时长、并显著削弱其对睡眠剥夺的补偿性反应；相反，利用D-型氨基酸氧化酶(DAAO)介导的化学遗传学手段上调H₂O₂水平发现，低剂量H₂O₂具有促睡眠作用，高剂量导致睡眠片段化并诱发大脑炎症反应，提示H₂O₂需维持在适宜的生理范围内以发挥稳态调控功能（图 Ⅲ）。这一发现也暗示，H₂O₂浓度失衡可能参与衰老与神经退行性疾病相关睡眠障碍的发生机制。最后，研究通过靶向敲降实验证实，H₂O₂的促睡眠效应依赖于TRPM2阳离子通道（图Ⅳ）。在SNrGAD2睡眠神经元中敲降TPRM2显著削弱了H₂O₂诱导的神经元兴奋性增强、睡眠促进作用及其对睡眠稳态的调控，明确了睡眠神经元感应氧化还原信号的关键分子机制。

与传统观点将ROS视为细胞毒性因子不同，本研究明确指出：，在生理浓度范围内，大脑中的ROS信号，特别是H₂O₂，作为关键信号分子作用于睡眠调控环路，将觉醒过程中积累的氧化还原失衡转化为促进睡眠的信号，驱动睡眠发生，以协助大脑恢复氧化还原稳态。这一发现揭示了大脑氧化还原信号在睡眠稳态调控中的因果性作用与全新机制，也支持睡眠的抗氧化功能假说，并为干预衰老及神经退行性疾病相关的睡眠障碍提供了抗氧化治疗的新思路。

该研究由中国科学院脑智卓越中心的博士研究生田玉静在刘丹倩研究员的指导下完成。课题组的脑智卓越中心康露伟、复旦大学脑科学转化研究院邓娟研究员及Ngoc T Ha也为该研究作出了重要贡献。新闻稿封面艺术图由李叶菲博士友情创作。该研究获得国家科技创新2030重大专项、基金委睡眠专项、面上项目、中国科学院和本源公益基金等的资助。

图：过氧化氢调控哺乳动物睡眠稳态的神经机制

I：睡眠剥夺显著增加睡眠-觉醒调控脑区ROS水平

II：中脑睡眠神经元胞浆H₂O₂水平反映觉醒期间累积的睡眠压力

III：H₂O₂对睡眠的双向调控作用

IV：H₂O₂促睡眠作用依赖于TRPM2通道