2025年7月16日最新發表在頂級期刊《Nature》雜志上的研究揭示，睡眠的本質可能是細胞“發電廠”線粒體的“維修時間”。當線粒體功能異常，睡眠壓力就會如潮水般涌來；而睡眠，正是線粒體修復損傷、重獲活力的關鍵過程。本期小編就帶您詳細解析這篇高質量研究。

一、“細胞發電廠” 的困境：線粒體為何與睡眠綁定？

在我們的細胞里，線粒體就像一座微型發電廠，通過有氧代謝將食物中的能量轉化為 ATP（細胞的 “能量貨幣”），支撐著生命活動的每一個瞬間。這個過程的核心是電子傳遞鏈—— 一系列蛋白復合體像接力賽一樣傳遞電子，最終將氧氣轉化為水，同時產生 ATP。

但這座“發電廠”并非永遠穩定。當我們清醒時，大腦神經元處于活躍狀態，線粒體的電子傳遞需求激增。研究以果蠅為模型發現，大腦中有一種專門調控睡眠的神經元 —— 背扇形體投射神經元（dFBNs），它們對線粒體的“疲憊”格外敏感。

清醒時間越長，dFBNs 的線粒體就越容易陷入困境：電子傳遞鏈中，電子的“供應”超過了 ATP 合成的 “需求”，多余的電子會泄漏出來，與氧氣結合產生活性氧（ROS）。這些 ROS 就像“電火花”，會損傷線粒體膜上的脂質，破壞線粒體結構。為了應對這種損傷，線粒體開始“自我拆解”—— 原本完整的線粒體分裂成碎片，這是一種緊急應激反應，就像工廠出故障時先停機拆解零件。

與此同時，dFBNs 的基因表達也發生了顯著變化：與線粒體呼吸、ATP 合成相關的基因被強烈激活，仿佛在緊急招募“維修人員”；而與突觸傳遞相關的基因則被抑制，就像暫時關閉非必要功能，集中資源應對危機。這種基因表達的“傾斜”，是睡眠壓力上升的分子信號。

圖線粒體功能異常（如ATP 供需失衡、ROS 積累）驅動睡眠壓力

二、睡眠：線粒體的“維修與重啟”程序

當線粒體的“困境信號” 積累到一定程度，我們就會感到難以抗拒的睡意 —— 這其實是身體在提醒：該給線粒體“檢修”了。研究發現，睡眠正是線粒體修復損傷、恢復功能的關鍵過程，主要通過三個步驟完成：

1. 清理受損部件：線粒體自噬激活

睡眠剝奪后，dFBNs 中會出現大量碎片化的線粒體，其中不乏受損嚴重的“廢件”。睡眠期間，細胞會啟動線粒體自噬（mitophagy）機制，清理受損線粒體，就像給工廠配備了 “垃圾清運車”。研究通過熒光標記觀察到，睡眠剝奪后 dFBNs 的線粒體自噬水平顯著升高，而經過恢復睡眠后，這些受損線粒體被大量清除。

2. 重建完整結構：線粒體融合修復

清理完“廢件”后，線粒體需要重新組裝成完整、高效的“發電單元”。睡眠期間，線粒體的融合機制被激活：原本碎片化的線粒體通過融合蛋白（如 Opa1、Marf）重新連接，恢復體積和分支結構。實驗顯示，恢復睡眠后，dFBNs 的線粒體體積、分支長度會反彈至正常水平以上，甚至比清醒時更“強壯”。

3. 平衡能量代謝：電子傳遞鏈重置

睡眠的核心作用，是解決清醒時積累的“電子供需失衡”。清醒時，dFBNs 因神經元受抑制而消耗 ATP 減少，導致電子傳遞鏈中電子“堆積”；而睡眠時，dFBNs 的神經元興奮性恢復，ATP 消耗增加，電子傳遞鏈重新達到平衡，減少 ROS 產生。研究證實，只要打破這種失衡，即使不睡覺，線粒體的損傷也會減輕，睡眠壓力也會隨之緩解。

三、操控線粒體，就能控制睡眠？

為了驗證線粒體與睡眠的直接關聯，研究人員做了一系列“線粒體手術”：

促進線粒體裂變：通過過表達裂變蛋白 Drp1，讓 dFBNs 的線粒體持續處于碎片化狀態。結果發現，果蠅的睡眠時間顯著減少，即使被強制熬夜，也不會出現睡眠反彈（即“補覺”行為）。

促進線粒體融合：反之，通過敲低 Drp1 或過表達融合蛋白 Opa1，讓線粒體保持“完整狀態”，果蠅的睡眠需求明顯增加，覺醒閾值升高（更難被叫醒）。

修復電子傳遞鏈：當給線粒體安裝“電子安全閥”，多余的電子可以被安全消耗，減少 ROS 產生。這時，即使睡眠被剝奪，線粒體碎片化也會減輕，果蠅的睡眠壓力顯著降低。

這些實驗清晰地證明：線粒體的形態和功能狀態，直接決定了睡眠的需求和時長。當線粒體“健康”，睡眠壓力就小；當線粒體“受損”，就必須通過睡眠來修復 —— 這正是“睡眠壓力的線粒體起源”的核心邏輯。