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大脑待机时在干啥?Science同日两篇文章阐述睡眠意义

2017/02/08 来源:生物探索
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导读
我们在宝贵的生命中抽出三分之一的时间用来睡觉。但是,睡眠的意义仍然是一个谜。2月3日,发表于Science上的两项研究共同从突触重塑角度阐述了睡眠的意义。


我们在宝贵的生命中抽出三分之一的时间用来睡觉。但是,睡眠的意义仍然是一个谜。2月3日,发表于Science上的两项研究共同从突触重塑角度阐述了睡眠的意义。

睡眠过程中突触收缩

我们为什么需要睡觉?科学家们对这一问题众说纷纭。来自威斯康辛-麦迪逊大学的两位科学家Chiara Cirelli和Giulio Tononi认为,动物在清醒时学习、处理各种信息,这些持续性刺激使突触连接越来越强,这一过程在学习记忆中起着关键作用。为了确保突触不会因此过度饱和以及神经信号和记忆消失,动物需要在睡眠过程中弱化突触,以抵消清醒时的突触强化,才能让大脑反复学习新鲜事物,这就是突触动态平衡假说(SHY)。

为了证实他们的假说,Chiara Cirelli和Giulio Tononi进行了一项为期4年的研究。研究团队使用扫描电子显微镜重建小鼠大脑皮层两个区域中的6920个突触,并测量它们的大小。他们发现,在睡眠中大部分突触尺寸缩小了18%。虽然80%的突触都在睡眠中收缩,但这种收缩是选择性的。那些较强大的突触不易出现收缩,它们可能与大脑中最稳定的记忆痕迹有关。


突触在睡眠期间收缩    图片来源:参考资料1

Homer1a调控睡眠觉醒周期中突触后受体蛋白水平

另一项来自约翰•霍普金斯大学的研究则进一步阐述了睡眠重塑突触的分子机制。博士后研究员Graham Diering领导的研究团队将焦点放在负责学习及记忆的脑区:海马和皮质。他们分别从睡眠和觉醒的小鼠大脑突触中纯化受体蛋白。结果发现,在睡眠过程中,突触后谷氨酸受体蛋白水平下降20%。


Homer1a依赖的谷氨酸受体蛋白调控   图片来源:参考资料3

为了进一步确认哪些分子参与了这一过程。研究团队转向了一种名为Homer1a的蛋白。研究表明,该蛋白在调节睡眠觉醒及神经元的稳态缩小过程中扮演着重要角色。和清醒小鼠相比,睡眠小鼠突触中的Homer1a水平高了250%。而在基因敲除Homer1a的小鼠中,谷氨酸受体蛋白水平在睡眠中下降的现象不复存在。

为了进一步确认Homer1a在小鼠睡眠和觉醒中的作用。研究人员将目光投向驱动大脑觉醒的神经递质——去甲肾上腺素。通过阻断或增强去甲肾上腺素作用,研究人员在体外和在体实验中都发现,去甲肾上腺素水平越高,Homer1a越远离突触;而去甲肾上腺素水平下降,Homer1a就聚集在突触部位。此外,在睡眠剥夺的小鼠大脑突触中,Homer1a水平更高。这意味着Homer1a对动物的睡眠需求十分敏感,而并非取决于一天中的时间。

Diering强调,睡眠需求由腺苷控制,当动物清醒时,腺苷在脑内积累,并引起困倦。(咖啡因正是通过直接干扰腺苷影响人的睡意)。当小鼠在睡眠剥夺期间被给予阻断腺苷的药物时,Homer1a水平在其突触中不再增加。


模式图   图片来源:参考资料3

阻断突触收缩可能导致动物记忆混乱

为了进一步确认睡眠期间突触收缩在学习和记忆过程中的关键作用,研究人员测试了突触不能收缩的小鼠的学习能力。他们将小鼠置于不熟悉的场所,当小鼠觉醒时或睡觉前给予轻度电击。其中。部分小鼠被给予防止突触收缩的药物。

当一只未被给药的小鼠在睡前接受电击,它的大脑将经历突触缩小的过程,并将电击所在场所与电击事件关联起来。当它们来到同一场所时,由于惧怕再次被电击,它们大约25%的时间处于不敢动弹的恐惧状态。当被放置在不同的场所时,它们的不动时间降至9%,这可能是因为小鼠能够相对较好地区分两个场地之间的差异。

可以预见,那些被给予药物的小鼠在睡眠期间突触不能正常缩小,因而它们的记忆将会更弱,在被电击的场所中的不动时间理应更短。但Diering惊奇地发现,当这些小鼠回到电击场所时,它们的不动时间反而增长(40%)。但是,当来到一个新场景中,药物处理的小鼠不动时间也相应增长(13%)。当在小鼠醒来后给予电击,给药与否对新旧场景中的不动时间均没有影响,这进一步证明只有在睡眠期间才会发生突触收缩。

“我们认为,给药小鼠的电击记忆更强,因为它们的突触不会缩小,但是其他的各种记忆也保持强烈,所以小鼠会感到困惑,并且不能轻易地区分两个场景, ”Diering说, “这正说明了为什么睡觉可以让你头脑清晰。”

该研究的主要作者Huganir教授表示,睡眠仍然是一个大谜团。 “在这项研究中,我们只研究睡眠期间大脑的两个区域发生了什么,在其他区域甚至整个身体都可能发生同样重要的过程。”他补充说。

需要进一步探索的是,学习和记忆如何受到睡眠障碍以及其他影响睡眠的疾病,如阿尔茨海默病和自闭症的影响。Huganir还表示,苯二氮卓类药物和其他镇静药物,如肌肉松弛剂和睡眠辅助剂,已知可以阻止突触稳态收缩,因此可能干扰学习和记忆,不过这一想法尚未通过实验测试。

参考资料:

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

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