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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)額外的突觸,。之后,，神經(jīng)元削減了一些生長(zhǎng)。

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(duì)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?cè)谛∈蟠竽X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(duì)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(duì)普通小鼠進(jìn)行了記憶測(cè)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?cè)馐茈姄舻奶囟ǚ块g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(duì)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,?！斑@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(MarkusH. 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?

“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。

原始出處：

Luisa De Vivo,，Michele Bellesi,，WilliamMarshall，Eric A. Bushong,，Mark H. Ellisman,，Giulio Tononi，Chiara Cirelli.Ultrastructural evidence for synaptic scalingacross 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 ofexcitatory synapses during sleep.Science，2017 DOI：10.1126/science.aai8355