睡眠的意义到底是什么?大脑每日需要重新编辑

对于我们为什么要睡觉,科学家们提出了很多的说法。一种认为睡眠是人节省能量的一种方式;也有人认为,睡眠带来了清除大脑细胞废物的机会;还有观点认为,睡眠只是迫使动物们平静地躺下来,从而避免被捕食者发现。

最新的研究认为,睡眠是为了大脑进行自我编辑,删除无用记忆,为智力运行和记忆里存储提供新的空间。该研究同时发现,安眠药虽然有助于人们入眠,但它们也有可能会干预到睡眠过程中对人脑突触的自然编辑。

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睡眠的意义究竟是什么?最新研究显示,睡眠是为了忘记白天学到的一些东西:大脑在人处于睡眠状态时会自行进行编辑,修剪白天清醒时形成的神经元突触。

这些年来,对于我们为什么要睡觉,科学家们提出了很多的说法。有的称睡眠是人节省能量的一种方式。有的人说,睡眠带来了清除大脑细胞废物的机会。还有的人说,睡眠只是迫使动物们平静地躺下来,从而避免被捕食者发现。

人正常睡眠时大脑的PET扫描图

人正常睡眠时大脑的PET扫描图

为了学习,我们得在我们大脑中的神经元之间形成连接,又或者说是突触。这些连接让神经元能够快速而高效地向另一个神经元传递信号。我们在这些网络中存储新的记忆。

2003年,威斯康辛-麦迪逊大学的两位生物学家朱利奥·托诺尼(Giulio Tononi)和奇亚拉·西雷利(Chiara Cirelli)提出,白天突触大量形成,我们的大脑回路因而变得“非常嘈杂”。他们指出,当我们睡觉的时候,我们的大脑会在噪声中修剪那些突触来传递信号。

在此后的数年里,托诺尼、西雷利以及其他的一些研究人员发现大量的间接证据,来支持这种所谓的突触稳态假说。

例如,他们发现神经元能够修剪它们的突触。在针对堆积成块的神经元的实验室实验中,科学家们对它们施加药物,促使它们生长出额外的突触。后来,那些神经元修剪了部分新生产出来的突触。

其它的证据来自大脑发出的电波。在深度睡眠期间,大脑电波呈现减少。托诺尼和西雷利认为是突触减少导致这种变化。

4年前,托诺尼和西雷利得到了通过观察突触本身来检验他们的理论的机会。他们获得了一种针对脑组织的切片机,他们用它来从老鼠的脑部切出脑薄片。

来自两人的实验室的助理科学家路易莎·德·维沃(Luisa de Vivo)领导了一项有关取自老鼠(有的处在觉醒状态,有的睡眠状态)的脑组织的高难度研究。她和同事确定了共计6920个突触的大小和形状。

他们发现,睡眠中的老鼠脑中的突触比觉醒的老鼠要小18%。“这个变化如此之大,让人非常惊讶。”托诺尼说道。

另一项研究则是由约翰·霍普金斯大学博士后研究员格雷汉姆·迪林(Graham H. Diering)领导。迪林和同事是要通过研究老鼠脑部的蛋白质来探究突触稳态假说。“我确实是要从这种有关具体细节的角度来研究这个问题。”迪林说。

在一项实验中,迪林和同事打造了一个微小的窗口来观察老鼠脑部内的情况。之后,他们增加了一种化学物质来点亮脑突触上的表面蛋白质。通过该微小的窗口,他们发现表面蛋白质的数量在老鼠睡眠期间呈现减少。这正是突触减少时你预期会发生的情况。

迪林和同事接着寻求从分子角度探究这种变化的触发原因。他们发现,在夜间,突触内会增加或减少数百个蛋白质。而其中一种蛋白质尤为突出,它就是Homer1A。

在以往针对培养皿神经元的实验中,Homer1A被证明对于突触修剪非常重要。迪林因而想知道它在睡眠中是不是也很重要。

为了找到答案,他们专门研究因基因改造而无法生产Homer1A蛋白质的老鼠。这些老鼠会像普通老鼠那样睡觉,但它们的突触并没有像普通老鼠那样改变它们的蛋白质。

迪林的研究表明,睡意促使神经元生产Homer1A,使得它被传送到神经元的突触。而当老鼠进入睡眠状态时,Homer1A会启动突触修剪机制。

为了了解这种突触修剪机制如何影响学习,科学家们对普通的老鼠进行了记忆测试。他们将老鼠放入一个房间,在房间里,如经过门的一个区域,它们就会受到温和的电击。

那一晚,科学家们给部分老鼠的脑部注入了一种化学物质。实验证明,那种化学物质会阻止培养皿神经元修剪它们的突触。

次日,科学家们将所有的老鼠放回它们之前呆过的那个房间。两组老鼠在很大一部分时间里都因为回想起被电击的经历而害怕得无法动弹。

而当研究人员将那些老鼠放到不同的房间时,他们发现了一大差异。普通的老鼠会好奇地四处嗅探。而因被注入化学物质而无法在睡眠时修剪脑部突触的那些老鼠,则再一次无法动弹。

迪林认为,被注入化学物质的老鼠无法记住它们具体是在哪一件房间受到电击。由于在夜间没有进行突触修剪,它们的记忆最终变得很混乱。

托诺尼和同事在实验中发现,那种突触修剪不会影响到所有的神经元。有五分之一的突触没有任何的变化。这些突触可能藏有不应被干预的固定记忆。

“你可以以一种聪明的方式遗忘。”托诺尼说道。

另一方面,也有研究人员警告称,这些新发现并不能明确证明突触稳态假说。

华盛顿州立大学睡眠研究者马科斯·弗兰克(Marcos G. Frank)认为,很难说大脑在夜间的变化是睡眠引起的,还是生物钟引起的。“这是这一研究领域的一个普遍问题。”他表示。

俄亥俄睡眠医学研究所马库斯·施密特(Markus H. Schmidt)说道,虽然大脑确实可能会在睡眠期间修剪突触,但他对这是否就是睡眠存在的主要原因表示怀疑。

谈到最新的研究,他说,“它们干得很好,但问题是,突触修剪是睡眠的一个机能,还是只是普通的机能?”施密特指出,不只是大脑,很多器官似乎在睡眠期间都有不同的运作。例如,内脏似乎会生产出很多的新细胞。

托诺尼称,这些新发现应当会促使研究人员去研究当前的安眠药对大脑产生怎样的影响。虽然该类药物可能有助于人们入眠,但它们也有可能会干预到形成记忆所需的突触修剪机制。 “这种药实际上可能对你不利。”托诺尼说道。

未来,安眠药可能会精确锁定睡眠所涉及的分子,进而确保突触得到恰当的修剪。“一旦你了解到基础层面发生的状况,你就能够知道该如何更好地提供睡眠治疗。”托诺尼说。

备注:上述文章相关论文发表于本周四的Science期刊

来源:tech.163.com

标签:科学家

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