人為什么需要睡眠？為了遺忘

有些人認為這是一種節(jié)約能量的方法。其他人提出，睡眠為大腦提供了清除細胞廢物的機會。還有一些人認為，睡眠只是迫使動物靜靜地躺下來，讓它們可以躲過捕食者。

近期，在《科學(xué)》(Science)期刊上發(fā)表的兩篇論文為另一個觀念提供了證據(jù)：我們睡覺是為了忘記每天所學(xué)到的一些東西。

為了學(xué)習(xí)，我們必須增加大腦神經(jīng)元之間的連接，或者叫突觸。這些連接使神經(jīng)元能夠快速有效地在彼此之間發(fā)送信號。我們就是在這些網(wǎng)絡(luò)之中存儲新的記憶。

2003年，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的生物學(xué)家朱利奧·托諾尼(Giulio Tononi)和基婭拉·奇雷利(Chiara Cirelli)提出，突觸在白天生長得非常激烈，令大腦電路變得“嘈雜”。當(dāng)我們睡覺時，大腦得以減少連接，這樣真正的信號才可以超過噪聲。

在此之后的幾年里，托諾尼博士和奇雷利博士與其他研究者發(fā)現(xiàn)了大量間接證據(jù)，支持這一所謂的突觸自穩(wěn)態(tài)假說。

比如，事實證明，神經(jīng)元可以修剪它們的突觸——至少是在實驗室里。在對神經(jīng)元叢進行實驗室實驗時，科學(xué)家給它們一種藥物，刺激它們生長額外的突觸。之后，神經(jīng)元削減了一些生長。

其他證據(jù)來自大腦釋放的電波。在深度睡眠期間，電波減慢。托諾尼博士和奇雷利博士認為，這種變化是由突觸縮小帶來的。

四年前，托諾尼博士和奇雷利博士得以通過觀察突觸本身來檢驗他們的理論。他們獲得了一種用于腦組織的切片機，用它從小鼠的大腦上得到超薄切片。

該實驗室的助理科學(xué)家路易莎·德·維沃(Luisa de Vivo)對這些從小鼠大腦取出的組織進行了精心研究，一些小鼠是醒著的，其他一些處于睡眠狀態(tài)。她和同事們確定了6920個突觸的大小和形狀。

他們發(fā)現(xiàn)，睡眠小鼠腦中的突觸比清醒小鼠的突觸小18%?！罢w而言，那個巨大的變化頗為驚人，”托諾尼博士說。

第二項研究由約翰霍普金斯大學(xué)博士后研究員格雷厄姆·H·迪林(Graham H. Diering)領(lǐng)導(dǎo)。迪林博士和同事們通過研究小鼠腦中的蛋白質(zhì)來探索突觸自穩(wěn)態(tài)假說。“我真的是從這種細節(jié)出發(fā)來研究這個問題的，”迪林博士說。

在一個實驗中，迪林博士和同事們創(chuàng)建了一個小窗口，通過它可以窺看小鼠的大腦。然后，他和同事們在小鼠大腦內(nèi)添加了一種化學(xué)物質(zhì)，能夠點亮腦突觸上的表面蛋白。

透過窗口，他們發(fā)現(xiàn)，在睡眠期間突觸表面蛋白的數(shù)量下降。如果突觸縮小，這種下降就應(yīng)該會出現(xiàn)。

迪林博士和同事們隨后開始尋找這種變化的分子觸發(fā)因素。他們發(fā)現(xiàn)，在突觸內(nèi)，有數(shù)百種蛋白質(zhì)在夜間增加或減少。但有一種名為Homer1A的蛋白質(zhì)格外突出。

在對神經(jīng)元進行的早期實驗室實驗中，Homer1A被證明在突觸減少過程中發(fā)揮了重要作用。迪林博士想知道它是否在睡眠中也很重要。

為了發(fā)現(xiàn)這一點，他和同事研究了經(jīng)基因工程改造、不能制造Homer1A蛋白的小鼠。這些小鼠可以像普通小鼠一樣睡覺，但是它們的突觸不像在普通小鼠中那樣改變其蛋白質(zhì)。

迪林博士的研究表明，困倦引發(fā)神經(jīng)元制造Homer1A，并將其運送到突觸。當(dāng)睡眠開始時，Homer1A也打開了它的修剪機制。

為了觀察這種修剪機制如何影響學(xué)習(xí)，科學(xué)家對普通小鼠進行了記憶測試。他們把這些動物放在一個房間里，如果它們走到地板的某一部分，就會受到輕微的電擊。

當(dāng)天晚上，科學(xué)家將一種化學(xué)物質(zhì)注入若干小鼠的腦中。在實驗室中，這種化學(xué)物質(zhì)已被證明可以阻止神經(jīng)元減少其突觸。

第二天，科學(xué)家把所有小鼠都放回之前所在的房間。兩組小鼠大部分時間都是一動不動，恐懼地回憶起電擊的記憶。

但當(dāng)研究人員把老鼠放入不同的房間，他們看到了很大的區(qū)別。普通組的老鼠好奇地到處嗅著。另一邊，在睡眠期間被阻止減少大腦突觸的小鼠再次一動不動。

迪林博士認為，受注射的小鼠不能把記憶縮小到它們遭受電擊的特定房間范圍內(nèi)。沒有夜間的修剪，它們的記憶最后變得模糊。

在他們自己的實驗中，托諾尼博士和同事們發(fā)現(xiàn)，修剪并不是針對每個神經(jīng)元。1/ 5的突觸沒有改變。有可能這些突觸之中編碼了已經(jīng)良好地建立起來、且不應(yīng)被修改的記憶。

“你可以用一種聰明的方式來忘記，”托諾尼博士說。

其他研究者警告說，新的發(fā)現(xiàn)并不能為突觸自穩(wěn)態(tài)假說提供決定性的證據(jù)。

華盛頓州立大學(xué)斯波坎分校的睡眠問題研究者馬科斯·G·弗蘭克(Marcos G. Frank)說，很難判斷大腦夜間的變化是由睡眠還是生物鐘引起的?！斑@是該領(lǐng)域的一個普遍問題，”他說。

俄亥俄睡眠醫(yī)學(xué)研究所(Ohio Sleep Medicine Institute)的馬庫斯·H·施密特(MarkusH. Schmidt)說，雖然大腦可能在睡眠期間修剪突觸，但他質(zhì)疑這一點是否是睡眠存在的主要原因。

“這項工作很好，”他談起這項新研究時說，“但問題是，這是睡眠的功能之一，還是它的主要功能？”

不僅大腦，許多器官在睡眠時的功能似乎都不一樣，施密特博士指出。比如腸道似乎就會產(chǎn)生許多新的細胞。

托諾尼博士說，新的發(fā)現(xiàn)可以促使人們審視目前的睡眠藥物在大腦中發(fā)揮什么作用。雖然它們可以讓人們感到困意，但它們也可能干擾形成記憶所需的突觸修剪。

“你可能其實是在損害自己，”托諾尼博士說。

在將來，睡眠藥物或許可以精確瞄準參與睡眠的分子，確保突觸得到適當(dāng)?shù)男藜簟?

“一旦你知道一點基本事實層面發(fā)生的情況，就可以得到更好的治療思路，”托諾尼博士說。

原始出處：

Luisa De Vivo，Michele Bellesi，WilliamMarshall，Eric A. Bushong，Mark H. Ellisman，Giulio Tononi，Chiara Cirelli.Ultrastructural evidence for synaptic scalingacross the wake/sleep cycle Science，2017 DOI：10.1126/science.aah5982

Graham H. Diering，Raja S.Nirujogi，Richard H. Roth，Paul F. Worley，Akhilesh Pandey，Richard L. Huganir.Homer1a drives homeostatic scaling-down ofexcitatory synapses during sleep.Science，2017 DOI：10.1126/science.aai8355