大腦待機時在幹啥？Science同日兩篇文章闡述睡眠意義

我們在寶貴的生命中抽出三分之一的時間用來睡覺。但是，睡眠的意義仍然是一個謎。2月3日，發表於Science上的兩項研究共同從突觸重塑角度闡述了睡眠的意義。

睡眠過程中突觸收縮

我們為什麼需要睡覺？科學家們對這一問題眾說紛紜。來自威斯康辛-麥迪遜大學的兩位科學家Chiara Cirelli和Giulio Tononi認為，動物在清醒時學習、處理各種信息，這些持續性刺激使突觸連接越來越強，這一過程在學習記憶中起著關鍵作用。為了確保突觸不會因此過度飽和以及神經信號和記憶消失，動物需要在睡眠過程中弱化突觸，以抵消清醒時的突觸強化，才能讓大腦反覆學習新鮮事物，這就是突觸動態平衡假說（SHY）。

為了證實他們的假說，Chiara Cirelli和Giulio Tononi進行了一項為期4年的研究。研究團隊使用掃描電子顯微鏡重建小鼠大腦皮層兩個區域中的6920個突觸，並測量它們的大小。他們發現，在睡眠中大部分突觸尺寸縮小了18%。雖然80%的突觸都在睡眠中收縮，但這種收縮是選擇性的。那些較強大的突觸不易出現收縮，它們可能與大腦中最穩定的記憶痕迹有關。

突觸在睡眠期間收縮 圖片來源：參考資料1

Homer1a調控睡眠覺醒周期中突觸後受體蛋白水平

另一項來自約翰?霍普金斯大學的研究則進一步闡述了睡眠重塑突觸的分子機制。博士後研究員Graham Diering領導的研究團隊將焦點放在負責學習及記憶的腦區：海馬和皮質。他們分別從睡眠和覺醒的小鼠大腦突觸中純化受體蛋白。結果發現，在睡眠過程中，突觸後谷氨酸受體蛋白水平下降20%。

Homer1a依賴的谷氨酸受體蛋白調控 圖片來源：參考資料3

為了進一步確認哪些分子參與了這一過程。研究團隊轉向了一種名為Homer1a的蛋白。研究表明，該蛋白在調節睡眠覺醒及神經元的穩態縮小過程中扮演著重要角色。和清醒小鼠相比，睡眠小鼠突觸中的Homer1a水平高了250%。而在基因敲除Homer1a的小鼠中，谷氨酸受體蛋白水平在睡眠中下降的現象不復存在。

為了進一步確認Homer1a在小鼠睡眠和覺醒中的作用。研究人員將目光投向驅動大腦覺醒的神經遞質——去甲腎上腺素。通過阻斷或增強去甲腎上腺素作用，研究人員在體外和在體實驗中都發現，去甲腎上腺素水平越高，Homer1a越遠離突觸；而去甲腎上腺素水平下降，Homer1a就聚集在突觸部位。此外，在睡眠剝奪的小鼠大腦突觸中，Homer1a水平更高。這意味著Homer1a對動物的睡眠需求十分敏感，而並非取決於一天中的時間。

Diering強調，睡眠需求由腺苷控制，當動物清醒時，腺苷在腦內積累，並引起睏倦。（咖啡因正是通過直接干擾腺苷影響人的睡意）。當小鼠在睡眠剝奪期間被給予阻斷腺苷的藥物時，Homer1a水平在其突觸中不再增加。

模式圖 圖片來源：參考資料3

阻斷突觸收縮可能導致動物記憶混亂

為了進一步確認睡眠期間突觸收縮在學習和記憶過程中的關鍵作用，研究人員測試了突觸不能收縮的小鼠的學習能力。他們將小鼠置於不熟悉的場所，當小鼠覺醒時或睡覺前給予輕度電擊。其中。部分小鼠被給予防止突觸收縮的藥物。

當一隻未被給葯的小鼠在睡前接受電擊，它的大腦將經歷突觸縮小的過程，並將電擊所在場所與電擊事件關聯起來。當它們來到同一場所時，由於懼怕再次被電擊，它們大約25％的時間處於不敢動彈的恐懼狀態。當被放置在不同的場所時，它們的不動時間降至9％，這可能是因為小鼠能夠相對較好地區分兩個場地之間的差異。

可以預見，那些被給予藥物的小鼠在睡眠期間突觸不能正常縮小，因而它們的記憶將會更弱，在被電擊的場所中的不動時間理應更短。但Diering驚奇地發現，當這些小鼠回到電擊場所時，它們的不動時間反而增長（40％）。但是，當來到一個新場景中，藥物處理的小鼠不動時間也相應增長（13％）。當在小鼠醒來後給予電擊，給葯與否對新舊場景中的不動時間均沒有影響，這進一步證明只有在睡眠期間才會發生突觸收縮。

「我們認為，給葯小鼠的電擊記憶更強，因為它們的突觸不會縮小，但是其他的各種記憶也保持強烈，所以小鼠會感到困惑，並且不能輕易地區分兩個場景， 」Diering說， 「這正說明了為什麼睡覺可以讓你頭腦清晰。」

該研究的主要作者Huganir教授表示，睡眠仍然是一個大謎團。 「在這項研究中，我們只研究睡眠期間大腦的兩個區域發生了什麼，在其他區域甚至整個身體都可能發生同樣重要的過程。」他補充說。

需要進一步探索的是，學習和記憶如何受到睡眠障礙以及其他影響睡眠的疾病，如阿爾茨海默病和自閉症的影響。Huganir還表示，苯二氮卓類藥物和其他鎮靜藥物，如肌肉鬆弛劑和睡眠輔助劑，已知可以阻止突觸穩態收縮，因此可能干擾學習和記憶，不過這一想法尚未通過實驗測試。

參考資料：

Ultrastructural evidence for synaptic scaling across the wake/sleep cycle

Visual evidence shows brain resetting during sleep

Homer1a drives homeostatic scaling-down of excitatory synapses during sleep

Sleep deprivation handicaps the brain s ability to form new memories, study in mice shows

本文系生物探索原創，歡迎個人轉發分享。其他任何媒體、網站如需轉載，須在正文前註明來源生物探索。