關(guān)于我們?yōu)槭裁匆X，多年來，科學(xué)家提出了很多想法。
有些人認(rèn)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(xì)胞廢物的機(jī)會(huì)。還有一些人認(rèn)為，睡眠只是迫使動(dòng)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(gè)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(hào)。我們就是在這些網(wǎng)絡(luò)之中存儲(chǔ)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(shí), 大腦得以減少連接，這樣真正的信號(hào)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(shí)證明，神經(jīng)元可以修剪它們的突觸——至少是在實(shí)驗(yàn)室里。在對神經(jīng)元叢進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(rèn)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(yàn)他們的理論。他們獲得了一種用于腦組織的切片機(jī)，用它從小鼠的大腦上得到超薄切片。
該實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(gè)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%。“整體而言，那個(gè)巨大的變化頗為驚人，”托諾尼博士說。
第二項(xiàng)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(xì)節(jié)出發(fā)來研究這個(gè)問題的，”迪林博士說。
在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，迪林博士和同事們創(chuàng)建了一個(gè)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(diǎn)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(huì)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(jìn)行的早期實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，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(yùn)送到突觸。當(dāng)睡眠開始時(shí)，Homer1A 也打開了它的修剪機(jī)制。
為了觀察這種修剪機(jī)制如何影響學(xué)習(xí)，科學(xué)家對普通小鼠進(jìn)行了記憶測試。他們把這些動(dòng)物放在一個(gè)房間里，如果它們走到地板的某一部分，就會(huì)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(shí)驗(yàn)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(shí)間都是一動(dòng)不動(dòng)，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(dòng)不動(dòng)。
迪林博士認(rèn)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(shí)驗(yàn)中，托諾尼博士和同事們發(fā)現(xiàn)，修剪并不是針對每個(gè)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。“這是該領(lǐng)域的一個(gè)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 (Markus H. 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(diǎn)是否是睡眠存在的主要原因。
“這項(xiàng)工作很好，”他談起這項(xiàng)新研究時(shí)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(shí)的功能似乎都不一樣，施密特博士指出。比如腸道似乎就會(huì)產(chǎn)生許多新的細(xì)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(shí)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(zhǔn)參與睡眠的分子，確保突觸得到適當(dāng)?shù)男藜簟?/span>
“一旦你知道一點(diǎn)基本事實(shí)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