哺乳動物睡眠可分為快速眼動睡眠(REM)和非快速眼動睡眠(NREM)。在人類中，在NREM睡眠中，進(jìn)一步區(qū)分為三種不同的階段（N1、N2、N3）；從清醒N1和N2狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槁ㄋ?SWS)或深度睡眠(N3)。大腦和身體之間的新陳代謝是以每日“晝夜節(jié)律”的方式調(diào)節(jié)的，然而，系統(tǒng)地擾亂活動的晝夜節(jié)律模式，會導(dǎo)致正常代謝模式的破壞，包括肥胖、糖尿病和心血管疾病，與代謝功能障礙。此外，睡眠受損還會導(dǎo)致重大的心理后遺癥，如心理和社會功能受損，帶來巨大的社會經(jīng)濟后果。

利用二次電噴霧電離高分辨率質(zhì)譜呼氣分析技術(shù)，結(jié)合常規(guī)多導(dǎo)睡眠圖，瑞士的研究人員對人體呼氣代謝進(jìn)行了跟蹤。對近2000種代謝物特征的分析表明，代謝不僅有晝夜節(jié)律，還有清醒-睡眠節(jié)律，即個體的警覺狀態(tài)可以快速、可逆地控制主要代謝途徑。該結(jié)果發(fā)表在《Cell Reports》上，標(biāo)題為“Rapid and reversible control of human metabolism by individual sleep states”。

作者分析了健康人在睡眠中的呼吸，以了解不同警覺狀態(tài)下的代謝活動(圖1A)。利用SESI-HRMS呼吸分析的無創(chuàng)性和高采樣頻率，作者能夠在獲得平行進(jìn)行多導(dǎo)睡眠圖的同時(圖1A)，以10s的時間分辨率在睡眠期間獲得每個時間點約2000個代謝物特征的人體代謝組(圖1A)。作者總共分析了13名睡眠結(jié)構(gòu)正常的健康人。隨著時間的推移儀器會檢測到1,996種代謝物不同質(zhì)量/電荷比(m/z)。

在每個個體中，睡眠調(diào)節(jié)代謝物家族的跡象在這些熱圖上以垂直條紋的形式可見。

為了了解不同睡眠階段的代謝調(diào)節(jié)是否存在顯著差異，作者首先可視化了所有研究對象在降維后每個睡眠階段的中位數(shù)質(zhì)譜。發(fā)現(xiàn)，屬于同一警覺階段的不同人的光譜數(shù)據(jù)聚在一起(圖2A)。因此，在不同的警覺狀態(tài)下觀察到的相對代謝物水平在不同的受試者之間是相似的，而同一受試者中不同的警覺狀態(tài)的代謝不同。然后，作者分別對每種代謝物進(jìn)行方差分析，作者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)檢測到的m/z特征(1,277個特征)，與警覺狀態(tài)顯著相關(guān)(圖2C)。在所有主要的睡眠-覺醒狀態(tài)(NREM、REM和WAKE)之間都可以看到顯著的差異（圖2D-2G）。相比之下，在相關(guān)睡眠狀態(tài)(N1、N2和N3-NREM睡眠；圖2D和2H-2J)之間觀察到的代謝物差異要小得多。因此，在進(jìn)一步的分析中沒有考慮N1和N2睡眠。

為了進(jìn)一步研究這些睡眠狀態(tài)依賴的代謝模式的性質(zhì)，作者用了兩種分析方法：第一，作者使用Wilcoxon符號秩和檢驗對不同睡眠階段的呼吸代謝水平進(jìn)行成對比較，以檢測個體代謝水平的快速變化。作者發(fā)現(xiàn)REM睡眠和清醒在842m/z特征上有顯著差異。在N3睡眠和清醒狀態(tài)下，411個特征的相對濃度不同，在REM睡眠和N3睡眠中，有312個特征具有不同的水平(圖3C)。

作者接下來開發(fā)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來推斷格蘭杰（Granger）因果關(guān)系。格蘭杰因果關(guān)系的概念以前在經(jīng)濟學(xué)和精神科學(xué)領(lǐng)域得到了非常成功的應(yīng)用。格蘭杰因果關(guān)系框架基于可預(yù)測性的概念提供了另一種觀點，即最重要的與睡眠有關(guān)的代謝產(chǎn)物可以用來預(yù)測睡眠狀態(tài)。該框架還檢測到了在多步代謝途徑中常見的非線性和時延關(guān)系?；诟裉m杰因果關(guān)系的分析得出了分別與覺醒、快速眼動睡眠和N3睡眠相關(guān)的386、196和135個特征，其中許多特征(182、60和59)是最初的常規(guī)方法所不能識別的。

作者接下來進(jìn)行復(fù)合鑒定和通路分析。使用了一種注釋算法，將從精確測量的質(zhì)量中獲得的元素組成信息與代謝途徑圖和富集分析相結(jié)合。通過這種方式，任何單個化合物的鑒定中可能的錯誤被“平均”出來，而不是在給定的途徑內(nèi)的多個代謝物之間觀察到數(shù)量上的差異。由于自動配對的注釋仍然容易出現(xiàn)假陽性，作者進(jìn)一步人工調(diào)查了頂部路徑，并用呼氣冷凝液的液相色譜-質(zhì)譜測量或?qū)崟r呼吸測量的串聯(lián)質(zhì)譜數(shù)據(jù)確認(rèn)了幾種化合物的身份。

考慮到全套注釋化合物的側(cè)重點隨著警覺狀態(tài)的不同而變化，作者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)細(xì)胞代謝主軸的活動，如脂質(zhì)代謝、碳水化合物代謝和TCA循環(huán)活動，實際上都強烈依賴于睡眠-覺醒狀態(tài)(圖5)。

例如，作者發(fā)現(xiàn)短鏈脂?？嵬?ACS)的呼吸水平在清醒時最高，在N3睡眠時最低(圖6D)。對于大多數(shù)人，作者還發(fā)現(xiàn)了Granger因果關(guān)系--與清醒和N3睡眠有關(guān)。作者沒有檢測到N3睡眠和REM睡眠之間肉堿水平的顯著差異。因此，脂肪酸氧化的全身性變化發(fā)生在睡眠和清醒之間(黃色象限，圖5)：切換到清醒會增加脂肪酸氧化，而切換到NREM睡眠會減少脂肪酸氧化。

同樣，作者發(fā)現(xiàn)幾種參與丙酸和丁酸代謝的代謝物在NREM睡眠期間被下調(diào)，對于丙酸和氨基丁酸，作者也發(fā)現(xiàn)了這種聯(lián)系的格蘭杰因果跡象(綠色象限，圖5)。這些分子是脂肪和蛋白質(zhì)代謝的天然副產(chǎn)品。作者觀察到，在快速眼動睡眠期間，幾種三氯乙酸循環(huán)中間產(chǎn)物水平升高(棕色象限，圖5)。作者還發(fā)現(xiàn)蘋果酸和草酰乙酸酯與REM睡眠有Granger因果關(guān)系(REM睡眠時琥珀酸不上調(diào))，因為正常情況下REM睡眠只能跟隨NREM睡眠，轉(zhuǎn)換到REM睡眠會導(dǎo)致TCA周期中間產(chǎn)物升高，可能為隨后的線粒體氧化做準(zhǔn)備。

最后，當(dāng)檢查糖酵解時，作者發(fā)現(xiàn)清醒時呼吸中葡萄糖水平最高，快速眼動睡眠時最低。作者觀察到其他幾種代謝產(chǎn)物與戊糖磷酸途徑以及戊糖和葡萄糖酸的相互轉(zhuǎn)化也有類似的情況。對于他們中的大多數(shù)人，作者還發(fā)現(xiàn)了格蘭杰與快速眼動睡眠和清醒之間的因果關(guān)系。相比之下，作者發(fā)現(xiàn)丙酮酸水平的變化趨勢相反，在快速眼動睡眠時升高，清醒時最低。此外，對于許多與碳水化合物代謝有關(guān)的代謝物，作者觀察到REM睡眠和N3睡眠之間的顯著差異(紫色和藍(lán)色象限，圖5)。

總結(jié)

本研究通過分析睡眠時呼出的呼吸，作者發(fā)現(xiàn)了睡眠狀態(tài)作為細(xì)胞新陳代謝組織者的前所未有的跡象。不僅晝夜節(jié)律模式，而且睡眠-覺醒模式似乎也動態(tài)地編程新陳代謝，為碳水化合物的合成和降解、脂肪酸氧化和線粒體TCA循環(huán)提供精確的時間安排，因此，它們可能直接將睡眠模式與代謝平衡和健康聯(lián)系起來。

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