人為什麼需要睡眠?為了遺忘!

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關於我們為什麼要睡覺,多年來,科學家提出了很多想法。


有些人認為這是一種節約能量的方法。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》(Science)期刊上發表的兩篇論文為另一個觀念提供了證據:我們睡覺是為了忘記每天所學到的一些東西。


為了學習,我們必須增加大腦神經元之間的連線,或者叫突觸。這些連線使神經元能夠快速有效地在彼此之間傳送訊號。我們就是在這些網路之中儲存新的記憶。


2003 年,威斯康星大學麥迪遜分校的生物學家朱利奧·託諾尼 (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”。當我們睡覺時, 大腦得以減少連線,這樣真正的訊號才可以超過噪聲。

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在此之後的幾年裡,託諾尼博士和奇雷利博士與其他研究者發現了大量間接證據,支援這一所謂的突觸自穩態假說。


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


其他證據來自大腦釋放的電波。在深度睡眠期間,電波減慢。 託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,託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。他們獲得了一種用於腦組織的切片機,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,其他一些處於睡眠狀態。她和同事們確定了 6920 個突觸的大小和形狀。


他們發現,睡眠小鼠腦中的突觸比清醒小鼠的突觸小 18%。“整體而言,那個巨大的變化頗為驚人,”託諾尼博士說。


第二項研究由約翰霍普金斯大學博士後研究員格雷厄姆·H·迪林 (Graham H. Diering) 領導。迪林博士和同事們通過研究小鼠腦中的蛋白質來探索突觸自穩態假說。“我真的是從這種細節出發來研究這個問題的,”迪林博士說。


在一個實驗中,迪林博士和同事們建立了一個小視窗,通過它可以窺看小鼠的大腦。然後,他和同事們在小鼠大腦內新增了一種化學物質,能夠點亮腦突觸上的表面蛋白。


透過視窗,他們發現,在睡眠期間突觸表面蛋白的數量下降。如果突觸縮小,這種下降就應該會出現。


迪林博士和同事們隨後開始尋找這種變化的分子觸發因素。他們發現,在突觸內,有數百種蛋白質在夜間增加或減少。但有一種名為 Homer1A 的蛋白質格外突出。

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在對神經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。


為了發現這一點,他和同事研究了經基因工程改造、不能製造 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。


迪林博士的研究表明,睏倦引發神經元製造 Homer1A,並將其運送到突觸。當睡眠開始時,Homer1A 也開啟了它的修剪機製。

為了觀察這種修剪機製如何影響學習,科學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裡,如果它們走到地板的某一部分,就會受到輕微的電擊。


當天晚上,科學家將一種化學物質注入若幹小鼠的腦中。在實驗室中,這種化學物質已被證明可以阻止神經元減少其突觸。


第二天,科學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。


但當研究人員把老鼠放入不同的房間,他們看到了很大的區別。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範圍內。沒有夜間的修剪,它們的記憶最後變得模糊。


在他們自己的實驗中,託諾尼博士和同事們發現,修剪並不是針對每個神經元。1/ 5 的突觸沒有改變。有可能這些突觸之中編碼了已經良好地建立起來、且不應被修改的記憶。

“你可以用一種聰明的方式來忘記,”託諾尼博士說。


其他研究者警告說,新的發現並不能為突觸自穩態假說提供決定性的證據。


華盛頓州立大學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。“這是該領域的一個普遍問題,”他說。


俄亥俄睡眠醫學研究所 (Ohio Sleep Medicine Institute) 的馬庫斯·H·施密特 (Markus H. Schmidt) 說,雖然大腦可能在睡眠期間修剪突觸,但他質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生許多新的細胞。


託諾尼博士說,新的發現可以促使人們審視目前的睡眠藥物在大腦中發揮什麼作用。雖然它們可以讓人們感到睏意,但它們也可能幹擾形成記憶所需的突觸修剪。


“你可能其實是在損害自己,”託諾尼博士說。


在將來,睡眠藥物或許可以精確瞄準參與睡眠的分子,確保突觸得到適當的修剪。


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


原文檢索:

Luisa De Vivo, Michele Bellesi, William Marshall, Eric A. Bushong, Mark H. Ellisman, Giulio Tononi, Chiara Cirelli. Ultrastructural evidence for synaptic scaling across 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 of excitatory synapses during sleep. Science, 2017 DOI: 10.1126/science.aai8355

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