Áp lực ngủ: adenosine và caffeine

Chương này hỏi: cái gì tích luỹ trong não người khi ta thức lâu, khiến cơn buồn ngủ tăng dần, và caffeine can thiệp vào quá trình đó ở đâu. Ứng viên được nghiên cứu nhiều nhất là adenosine, và bằng chứng ở người hiện nay chủ yếu là gián tiếp: PET cho thấy khả dụng thụ thể adenosine A1 trong não tăng sau thức kéo dài và trở về mức nền sau ngủ bù, nhưng trong các nguồn chúng tôi có, chưa nghiên cứu nào đo trực tiếp nồng độ adenosine ngoại bào trong não người theo thời gian thức. Caffeine chiếm thụ thể A1 ở người theo nồng độ, có thể tới khoảng một nửa số thụ thể ở người dùng thường xuyên theo ước tính ngoại suy; còn tác dụng thức tỉnh của caffeine lại phụ thuộc thụ thể A2A ở chuột, và ở người được hỗ trợ bằng dữ liệu di truyền gen ADORA2A. Các ứng viên khác như cytokine viêm mới chỉ được thấy là đi kèm rối loạn giấc ngủ, chưa phải là tín hiệu áp lực ngủ.

Áp lực ngủ và vị trí của adenosine#

Khái niệm#

"Áp lực ngủ" (sleep pressure) là cách gọi nhu cầu ngủ tăng dần theo thời gian thức và giảm đi khi ngủ. Trong các mô hình điều hoà giấc ngủ, nó được tách khỏi nhịp ngày đêm do đồng hồ sinh học điều khiển (chương 4). Áp lực ngủ là một khái niệm chức năng; câu hỏi sinh học là chất gì, ở đâu, mang tín hiệu "đã thức bao lâu" tới các mạch thức–ngủ đã mô tả ở chương 1 và 2.

Một tín hiệu như vậy cần thoả ba điều: nó tăng theo thời gian thức, giảm khi ngủ, và tác động lên mạch thức–ngủ theo hướng thúc đẩy ngủ. Adenosine là ứng viên được nghiên cứu nhiều nhất về mặt cơ chế, và caffeine thúc đẩy thức thông qua đối kháng thụ thể adenosine. Tuy vậy, khi tách riêng dữ liệu người, bức tranh mỏng hơn nhiều so với cách sách phổ thông thường kể.

Adenosine tác động lên mạch thức–ngủ thế nào#

Theo tổng quan Neuron năm 2017, adenosine có thể thúc đẩy ngủ theo hai cách: ức chế trực tiếp neuron thúc đẩy thức và hoạt hoá neuron thúc đẩy ngủ; nghiên cứu in vitro cho thấy adenosine kích thích neuron VLPO trực tiếp và gián tiếp qua ức chế tiền synapse các đầu vào GABA (Scammell và cs., 2017). Các dữ liệu này đến từ gặm nhấm. Ở đây cần đọc đúng câu chữ: tổng quan này không nói cụ thể thụ thể A1 hay A2A trung gian từng cơ chế, nên chúng tôi không gán thụ thể cho từng tác dụng.

Trong các thụ thể adenosine, A1 có phân bố rộng nhất trong não, và caffeine thúc đẩy thức thông qua đối kháng thụ thể adenosine (Elmenhorst và cs., 2017). Đây là lý do các nghiên cứu hình ảnh học ở người trong chương này tập trung vào thụ thể A1, đo bằng chất đánh dấu PET [18F]CPFPX.

Một lưu ý về "đo adenosine ở người"#

Câu hỏi tự nhiên nhất là: nồng độ adenosine trong não người có tăng theo giờ thức không? Trong các nguồn chúng tôi đã mở, chúng tôi chưa tìm được phép đo trực tiếp nào như vậy. Bằng chứng ở người là gián tiếp, qua thụ thể.

Phép đo trực tiếp một chất điều hoà thức–ngủ trong não người là khả thi về kỹ thuật, nhưng hiếm. Ví dụ gần nhất trong nguồn của chúng tôi là nghiên cứu vi thẩm tách ở hạch hạnh nhân của 8 bệnh nhân động kinh đặt điện cực sâu (7 được phân tích); nghiên cứu này đo hypocretin-1, không đo adenosine (Blouin và cs., 2013). Chúng tôi nhắc đến nó ở đây để nói rõ ranh giới: những gì đo trực tiếp được ở người trong nhóm nguồn này là orexin (chương 2), còn adenosine thì chưa.

PET thụ thể A1 sau thức kéo dài#

Nghiên cứu 52 giờ thức#

Nghiên cứu PET trực tiếp nhất về áp lực ngủ ở người trong nguồn của chúng tôi là của nhóm Elmenhorst công bố năm 2017. Họ cho 15 nam khoẻ (14 được phân tích) thức liên tục 52 giờ, chụp PET [18F]CPFPX, rồi chụp lại sau 14 giờ ngủ bù, và so với 20 người đối chứng (Elmenhorst và cs., 2017). Kết quả: sau 52 giờ thức, khả dụng thụ thể A1 tăng, và trở về mức đối chứng sau ngủ bù; mức giảm khi ngủ bù từ 11% ở thuỳ đảo đến 14% ở thể vân theo phần tóm tắt (Elmenhorst và cs., 2017). Mức tăng sau thức kéo dài so với nhóm đối chứng có ý nghĩa ở vỏ trán, vỏ chẩm và vỏ đỉnh (Elmenhorst và cs., 2017).

Có ba điểm cần đọc kỹ trong bài này.

• Hai cách ghi khoảng giảm. Tóm tắt ghi mức giảm khi ngủ bù "từ 11% (thuỳ đảo) đến 14% (thể vân)", còn phần Kết quả ghi "từ 14% (thể vân) đến 10% (vỏ thái dương)" (Elmenhorst và cs., 2017). Đầu trên khớp nhau, đầu dưới khác cả giá trị lẫn vùng não. Khả năng là hai câu mô tả hai tập vùng hơi khác nhau, nhưng bài không giải thích.
• Không có % tăng theo vùng ở người. Bài không nêu mức tăng phần trăm theo từng vùng so với đối chứng. Những con số 23% (thể vân) và 13% (vỏ) thường được trích cạnh nghiên cứu này là của một nghiên cứu ở chuột cống mà bài dẫn lại (Elmenhorst và cs., 2017). Đây là chỗ dễ nhầm dữ liệu chuột thành dữ liệu người.
• Thời gian kiêng caffeine ghi không thống nhất. Người tham gia được yêu cầu kiêng caffeine trước khi chụp, nhưng bài ghi 84 giờ (tài liệu bổ sung), 4 ngày (Phương pháp) hoặc ít nhất 5 ngày (Bàn luận); tác giả lưu ý thời gian cai caffeine nói chung có thể tới 9 ngày (Elmenhorst và cs., 2017). Vì caffeine chiếm chính thụ thể A1 mà PET đo (xem mục sau), thời gian kiêng không phải chi tiết phụ: nếu caffeine còn sót, nó làm giảm khả dụng thụ thể đo được ở lần chụp đầu.

Bài 2017 cũng nhắc đến nghiên cứu năm 2007 của cùng nhóm, đo sau khoảng một ngày thức, đã cho thấy thụ thể A1 tăng ở người; nhưng thời gian thức trong nghiên cứu đó được ghi là 24 giờ ở phần mở đầu và 28 giờ ở phần bàn luận (Elmenhorst và cs., 2017). Chúng tôi chưa đọc được bài gốc năm 2007 để xác định con số đúng, và vì vậy không đưa mức tăng phần trăm của nghiên cứu đó vào chương.

Tăng thụ thể có nghĩa gì#

Một điểm dễ gây bối rối: nếu adenosine tăng khi thức, tại sao PET lại thấy "khả dụng thụ thể" tăng? Theo nguyên lý chung của PET thụ thể, chất đánh dấu và chất gắn nội sinh có thể cạnh tranh cùng vị trí gắn, nên nếu chỉ có adenosine nội sinh tăng thì khả dụng đo được lẽ ra phải giảm. Một cách hiểu khả dĩ là bản thân hệ thụ thể A1 thay đổi khi thức kéo dài; đây là suy luận của chúng tôi SL, không phải điều bài báo đã đo. Cũng theo suy luận đó, kết quả PET này là bằng chứng cho thấy hệ adenosine ở người phản ứng với thời gian thức và được "đặt lại" bởi giấc ngủ, nhưng không cho biết nồng độ adenosine ngoại bào đã thay đổi bao nhiêu.

Liên hệ với hành vi: tương quan, không phải nhân quả#

Ở 14 nam khoẻ, mức suy giảm hiệu suất, buồn ngủ và đáp ứng áp lực ngủ tương quan nghịch với mức giảm khả dụng thụ thể A1 khi ngủ bù (Elmenhorst và cs., 2017). Tác giả diễn giải rằng người có thụ thể A1 tăng nhiều hơn khi thức kéo dài có thể chịu đựng thiếu ngủ tốt hơn. Đây là tương quan trên 14 người; nó chưa chứng minh rằng tăng thụ thể A1 là cơ chế bảo vệ.

Một phân tích PET–fMRI năm 2023 (14 nam trẻ, 28,2 ± 5,2 tuổi; 52 giờ thức rồi 14 giờ ngủ bù), nhiều khả năng trên cùng nhóm đối tượng, thấy thay đổi khả dụng thụ thể A1 tương quan nghịch với thay đổi hoạt động não khi nghỉ ở hồi thái dương trên/giữa trái và độ trung tâm ở hồi sau trung tâm trái (n = 12); tương quan toàn não không còn ý nghĩa sau hiệu chỉnh (Li và cs., 2023). Vì nhiều khả năng dùng cùng người tham gia, nghiên cứu này không phải bằng chứng độc lập thứ hai cho việc thụ thể A1 tăng sau thức kéo dài.

Bảng tổng hợp bằng chứng người về adenosine và áp lực ngủ#

Caffeine chiếm bao nhiêu thụ thể#

Nghiên cứu năm 2012 của cùng nhóm là phép đo trực tiếp duy nhất ở người trong nguồn của chúng tôi về việc caffeine gắn vào thụ thể adenosine trong não. Trên 15 người (16 lần đo), dùng PET [18F]CPFPX kèm truyền caffeine và đo nồng độ huyết tương, caffeine chiếm thụ thể A1 phụ thuộc nồng độ, đẩy 5–44% chất đánh dấu khỏi thụ thể; caffeine chiếm một nửa số thụ thể (IC50) ở nồng độ huyết tương 67 µM, tức khoảng 12,5–13 mg/L (Elmenhorst và cs., 2012). Phép đổi đơn vị là của tác giả: phần Kết quả ghi 12,5 mg/L, phần Bàn luận ghi khoảng 13 mg/L.

Từ đường cong chiếm thụ thể, tác giả ước tính ở phần lớn người dùng caffeine thường xuyên, khoảng một nửa số thụ thể A1 trong não có thể bị caffeine chiếm (Elmenhorst và cs., 2012). Cần đọc đúng: mức chiếm tối đa thực đo trong nghiên cứu là 44%; "khoảng một nửa" là ngoại suy. Bài cũng tự mâu thuẫn về tuổi người tham gia: tóm tắt ghi 24–68, phần Phương pháp ghi 20–34.

Ghép với nghiên cứu năm 2017, có một hệ quả thực nghiệm đáng chú ý SL: vì caffeine chiếm một phần đáng kể thụ thể A1 ở người dùng thường xuyên, mọi nghiên cứu PET thụ thể A1 ở người phụ thuộc vào việc người tham gia kiêng caffeine đủ lâu; thời gian kiêng ghi không thống nhất (84 giờ, 4 ngày hay ít nhất 5 ngày) trong khi cai caffeine có thể tới 9 ngày, nên không thể loại trừ ảnh hưởng còn sót.

Phương pháp "đo mức chiếm thụ thể bằng PET" không riêng gì caffeine. Ví dụ tương tự cho hệ histamine (chương 1): ở nam giới khoẻ, thuốc kháng histamine thế hệ hai ebastine chiếm khoảng 10% thụ thể H1 ở vỏ não, còn chlorpheniramine thế hệ một chiếm từ 50% trở lên (Tagawa và cs., 2001). Ở cả hai trường hợp, PET cho phép nối một tác dụng lên sự tỉnh táo với một con số cụ thể về thụ thể bị chiếm trong não người sống.

Thụ thể A2A: từ chuột knock-out đến di truyền ở người#

Bằng chứng ở chuột#

Nếu caffeine chiếm thụ thể A1 ở người, liệu A1 có phải thụ thể trung gian tác dụng thức tỉnh của nó? Dữ liệu chuột cho thấy A1 không cần thiết cho tác dụng này. Trên chuột nhắt, caffeine làm tăng thức ở chuột hoang dã và ở chuột thiếu thụ thể A1, nhưng không làm tăng thức ở chuột thiếu thụ thể A2A (Huang và cs., 2005). Tức là ở chuột, tác dụng thức tỉnh của caffeine phụ thuộc A2A. Theo tổng quan Neuron năm 2017, neuron ở phần vỏ (shell) của nhân accumbens trung gian tác dụng thức tỉnh của caffeine (Scammell và cs., 2017), cũng dựa trên dữ liệu gặm nhấm. Ở người chưa có thí nghiệm loại bỏ thụ thể tương đương, và chúng tôi chưa tìm được nghiên cứu PET thụ thể A2A ở người liên quan đến áp lực ngủ.

Như vậy có một độ vênh giữa hai loại bằng chứng: phép đo ở người (PET) cho thấy caffeine chiếm A1, còn thí nghiệm cơ chế ở chuột cho thấy tác dụng thức tỉnh đi qua A2A. Hai điều này không mâu thuẫn — caffeine đối kháng cả hai thụ thể — nhưng chúng không trả lời cùng một câu hỏi, và không nên ghép lại thành "caffeine giữ ta tỉnh nhờ chặn A1" hay "nhờ chặn A2A" ở người khi chưa có dữ liệu trực tiếp.

Bằng chứng di truyền ở người#

Bằng chứng người gần nhất cho vai trò A2A đến từ di truyền. Một nghiên cứu năm 2012 phân tích 8 đa hình đơn nucleotide của gen thụ thể A2A (ADORA2A) ở 82 tình nguyện viên, rồi làm thử nghiệm thức kéo dài có và không có caffeine ở 45 nam trẻ (Bodenmann và cs., 2012). Ở người mang haplotype HT4, caffeine không chống được suy giảm hiệu suất trên bài kiểm tra cảnh giác tâm thần vận động (psychomotor vigilance task, PVT) do thức kéo dài, và không làm giảm sóng chậm phục hồi trong giấc ngủ sau đó (Bodenmann và cs., 2012). Đây là bằng chứng rằng biến thể ở gen A2A điều biến tác dụng của caffeine ở người, phù hợp với dữ liệu chuột, nhưng là bằng chứng gián tiếp và từ một nghiên cứu với cỡ mẫu vừa phải.

A2A ngoại vi khi thức kéo dài#

Một nghiên cứu ở 14 nam khoẻ thấy biểu hiện mRNA thụ thể A2A trên bạch cầu máu tăng có ý nghĩa sau 24 giờ thức (trong đợt thức liên tục 38 giờ) và trở về mức nền sau đêm ngủ phục hồi (Chennaoui và cs., 2017). Đây là đo ngoại vi, không phản ánh trực tiếp thụ thể trong não. Suy luận của chúng tôi SL: kết quả này cho thấy hệ thụ thể adenosine ngoài não (ít nhất ở bạch cầu) cũng thay đổi khi thiếu ngủ, nhưng không thể dùng như một "dấu ấn máu" của áp lực ngủ trong não.

Ngoài adenosine: cytokine và dopamine#

Cytokine viêm#

Cytokine viêm là một nhóm ứng viên khác thường được nhắc tới. Ở người, dữ liệu tổng hợp lớn nhất mà chúng tôi có là một phân tích gộp 72 nghiên cứu (trên 50.000 người), gồm cả nghiên cứu đoàn hệ và thức trắng thực nghiệm. Rối loạn giấc ngủ liên quan với protein phản ứng C (CRP) cao hơn (cỡ hiệu ứng 0,12; khoảng tin cậy 95% 0,05–0,19) và interleukin-6 (IL-6) cao hơn (cỡ hiệu ứng 0,20; khoảng tin cậy 95% 0,08–0,31) (Irwin và cs., 2016). Cả rối loạn giấc ngủ lẫn thời lượng ngủ đều không liên quan với TNF-α trong phân tích này (Irwin và cs., 2016).

Cỡ hiệu ứng nhỏ, và quan trọng hơn, phân tích này đo mối liên quan giữa giấc ngủ kém và dấu ấn viêm trong máu, không chứng minh cytokine là tín hiệu áp lực ngủ ở người. Trong phân tích này, cytokine chỉ là dấu ấn đi kèm giấc ngủ kém, chưa rõ chiều nhân quả, chứ không phải một "đồng hồ cát" đo thời gian thức như adenosine được giả định.

Dopamine#

Hệ dopamine cũng thay đổi khi thức kéo dài, dù dữ liệu không cho thấy nó là tín hiệu áp lực ngủ. Như đã trình bày ở chương 1, ở 20 người khoẻ, sau một đêm thức trắng, khả dụng thụ thể D2/D3 ở thể vân bụng giảm và liên quan với giảm tỉnh táo, tăng buồn ngủ, trong khi mức tăng dopamine do methylphenidate không đổi (Volkow và cs., 2012). Giống như PET thụ thể A1, đây là một hệ thụ thể thay đổi theo thời gian thức, đo được ở người sống, và tương quan với cảm giác buồn ngủ.

Suy luận của chúng tôi SL: điểm chung của các dữ liệu người trong chương này là chúng chủ yếu đo thụ thể (A1, D2/D3, A2A ngoại vi) chứ không đo trực tiếp chất truyền tin (adenosine, dopamine) trong khoảng ngoại bào; ngay cả mức giải phóng dopamine trong nghiên cứu PET cũng được suy ra gián tiếp qua sự cạnh tranh tại thụ thể. Áp lực ngủ ở người, vì vậy, hiện được nhìn thấy chủ yếu qua dấu vết của nó trên hệ thụ thể.

Điều chưa biết#

• Nồng độ adenosine ngoại bào trong não người theo thời gian thức chưa được đo trực tiếp trong các nguồn chúng tôi đã mở; bằng chứng ở người là gián tiếp qua PET thụ thể A1.
• Chúng tôi chưa đọc được bài gốc năm 2007 của nhóm Elmenhorst về mức tăng thụ thể A1 sau khoảng một ngày thức ở người, nên chưa xác định được thời gian thức thực (24 hay 28 giờ) và mức tăng phần trăm.
• Nghiên cứu PET thụ thể A2A ở người liên quan áp lực ngủ: chúng tôi chưa tìm được; vai trò A2A trong tác dụng của caffeine chủ yếu dựa trên chuột knock-out và di truyền ADORA2A ở người.
• Mức tăng phần trăm của thụ thể A1 theo từng vùng não sau thức kéo dài ở người chưa được công bố trong nghiên cứu 52 giờ; các con số thường được trích là của chuột cống.
• Thời gian kiêng caffeine cần thiết để PET thụ thể A1 không bị nhiễu chưa được chuẩn hoá trong các nghiên cứu đã đọc.
• Chúng tôi không tìm được nghiên cứu ở Việt Nam hoặc Đông Nam Á về PET adenosine hay về tác dụng của caffeine lên thụ thể trong não.