人類為什麼要睡覺？大腦每日需要重新編輯

睡眠的意義究竟是什麼？最新研究顯示，睡眠是為了忘記白天學到的一些東西：大腦在人處於睡眠狀態時會自行進行編輯，修剪白天清醒時形成的神經元突觸。

這些年來，對於我們為什麼要睡覺，科學家們提出了很多的說法。有的稱睡眠是人節省能量的一種方式。有的人說，睡眠帶來了清除大腦細胞廢物的機會。還有的人說，睡眠只是迫使動物們平靜地躺下來，從而避免被捕食者發現。

為了學習，我們得在我們大腦中的神經元之間形成連接，又或者說是突觸。這些連接讓神經元能夠快速而高效地向另一個神經元傳遞信號。我們在這些網路中存儲新的記憶。

2003年，威斯康辛-麥迪遜大學的兩位生物學家朱利奧·托諾尼和奇亞拉·西雷利提出，白天突觸大量形成，我們的大腦迴路因而變得「非常嘈雜」。他們指出，當我們睡覺的時候，我們的大腦會在雜訊中修剪那些突觸來傳遞信號。

在此後的數年裡，托諾尼、西雷利以及其他的一些研究人員發現大量的間接證據，來支持這種所謂的突觸穩態假說。例如，他們發現神經元能夠修剪它們的突觸。在針對堆積成塊的神經元的實驗室實驗中，科學家們對它們施加藥物，促使它們生長出額外的突觸。後來，那些神經元修剪了部分新生產出來的突觸。

其它的證據來自大腦發出的電波。在深度睡眠期間，大腦電波呈現減少。托諾尼和西雷利認為是突觸減少導致這種變化。4年前，托諾尼和西雷利得到了通過觀察突觸本身來檢驗他們的理論的機會。他們獲得了一種針對腦組織的切片機，他們用它來從老鼠的腦部切出腦薄片。

來自兩人的實驗室的助理科學家路易莎·德·維沃領導了一項有關取自老鼠（有的處在覺醒狀態，有的睡眠狀態）的腦組織的高難度研究。她和同事確定了共計6920個突觸的大小和形狀。他們發現，睡眠中的老鼠腦中的突觸比覺醒的老鼠要小18%。「這個變化如此之大，讓人非常驚訝。」托諾尼說道。

另一項研究則是由約翰·霍普金斯大學博士後研究員格雷漢姆·迪林領導。迪林和同事是要通過研究老鼠腦部的蛋白質來探究突觸穩態假說。「我確實是要從這種有關具體細節的角度來研究這個問題。」迪林說。

在一項實驗中，迪林和同事打造了一個微小的窗口來觀察老鼠腦部內的情況。之後，他們增加了一種化學物質來點亮腦突觸上的表面蛋白質。通過該微小的窗口，他們發現表面蛋白質的數量在老鼠睡眠期間呈現減少。這正是突觸減少時你預期會發生的情況。

迪林和同事接著尋求從分子角度探究這種變化的觸發原因。他們發現，在夜間，突觸內會增加或減少數百個蛋白質。而其中一種蛋白質尤為突出，它就是Homer1A。

在以往針對培養皿神經元的實驗中，Homer1A被證明對於突觸修剪非常重要。迪林因而想知道它在睡眠中是不是也很重要。為了找到答案，他們專門研究因基因改造而無法生產Homer1A蛋白質的老鼠。這些老鼠會像普通老鼠那樣睡覺，但它們的突觸並沒有像普通老鼠那樣改變它們的蛋白質。

迪林的研究表明，睡意促使神經元生產Homer1A，使得它被傳送到神經元的突觸。而當老鼠進入睡眠狀態時，Homer1A會啟動突觸修剪機制。為了了解這種突觸修剪機制如何影響學習，科學家們對普通的老鼠進行了記憶測試。他們將老鼠放入一個房間，在房間里，如經過門的一個區域，它們就會受到溫和的電擊。

那一晚，科學家們給部分老鼠的腦部注入了一種化學物質。實驗證明，那種化學物質會阻止培養皿神經元修剪它們的突觸。次日，科學家們將所有的老鼠放回它們之前呆過的那個房間。兩組老鼠在很大一部分時間裡都因為回想起被電擊的經歷而害怕得無法動彈。

而當研究人員將那些老鼠放到不同的房間時，他們發現了一大差異。普通的老鼠會好奇地四處嗅探。而因被注入化學物質而無法在睡眠時修剪腦部突觸的那些老鼠，則再一次無法動彈。

迪林認為，被注入化學物質的老鼠無法記住它們具體是在哪一件房間受到電擊。由於在夜間沒有進行突觸修剪，它們的記憶最終變得很混亂。托諾尼和同事在實驗中發現，那種突觸修剪不會影響到所有的神經元。有五分之一的突觸沒有任何的變化。這些突觸可能藏有不應被干預的固定記憶。

「你可以以一種聰明的方式遺忘。」托諾尼說道。另一方面，也有研究人員警告稱，這些新發現並不能明確證明突觸穩態假說。華盛頓州立大學睡眠研究者馬科斯·弗蘭克認為，很難說大腦在夜間的變化是睡眠引起的，還是生物鐘引起的。「這是這一研究領域的一個普遍問題。」他表示。

俄亥俄睡眠醫學研究所馬庫斯·施密特說道，雖然大腦確實可能會在睡眠期間修剪突觸，但他對這是否就是睡眠存在的主要原因表示懷疑。談到最新的研究，他說，「它們幹得很好，但問題是，突觸修剪是睡眠的一個機能，還是只是普通的機能？」施密特指出，不只是大腦，很多器官似乎在睡眠期間都有不同的運作。例如，內臟似乎會生產出很多的新細胞。

托諾尼稱，這些新發現應當會促使研究人員去研究當前的安眠藥對大腦產生怎樣的影響。雖然該類藥物可能有助於人們入眠，但它們也有可能會幹預到形成記憶所需的突觸修剪機制。「這種葯實際上可能對你不利。」托諾尼說道。

未來，安眠藥可能會精確鎖定睡眠所涉及的分子，進而確保突觸得到恰當的修剪。「一旦你了解到基礎層面發生的狀況，你就能夠知道該如何更好地提供睡眠治療。」托諾尼說。