睡眠的意義究竟是什么？最新研究顯示，睡眠是為了忘記白天學到的一些東西：大腦在人處于睡眠狀態(tài)時會自行進行編輯，修剪白天清醒時形成的神經(jīng)元突觸。
這些年來，對于我們?yōu)槭裁匆X，科學家們提出了很多的說法。有的稱睡眠是人節(jié)省能量的一種方式。有的人說，睡眠帶來了清除大腦細胞廢物的機會。還有的人說，睡眠只是迫使動物們平靜地躺下來，從而避免被捕食者發(fā)現(xiàn)。
為了學習，我們得在我們大腦中的神經(jīng)元之間形成連接，又或者說是突觸。這些連接讓神經(jīng)元能夠快速而高效地向另一個神經(jīng)元傳遞信號。我們在這些網(wǎng)絡中存儲新的記憶。
2003年，威斯康辛-麥迪遜大學的兩位生物學家朱利奧·托諾尼和奇亞拉·西雷利提出，白天突觸大量形成，我們的大腦回路因而變得“非常嘈雜”。他們指出，當我們睡覺的時候，我們的大腦會在噪聲中修剪那些突觸來傳遞信號。
在此后的數(shù)年里，托諾尼、西雷利以及其他的一些研究人員發(fā)現(xiàn)大量的間接證據(jù)，來支持這種所謂的突觸穩(wěn)態(tài)假說。例如，他們發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元能夠修剪它們的突觸。在針對堆積成塊的神經(jīng)元的實驗室實驗中，科學家們對它們施加藥物，促使它們生長出額外的突觸。后來，那些神經(jīng)元修剪了部分新生產(chǎn)出來的突觸。
其它的證據(jù)來自大腦發(fā)出的電波。在深度睡眠期間，大腦電波呈現(xiàn)減少。托諾尼和西雷利認為是突觸減少導致這種變化。4年前，托諾尼和西雷利得到了通過觀察突觸本身來檢驗他們的理論的機會。他們獲得了一種針對腦組織的切片機，他們用它來從老鼠的腦部切出腦薄片。
來自兩人的實驗室的助理科學家路易莎·德·維沃領導了一項有關取自老鼠（有的處在覺醒狀態(tài)，有的睡眠狀態(tài)）的腦組織的高難度研究。她和同事確定了共計6920個突觸的大小和形狀。他們發(fā)現(xiàn)，睡眠中的老鼠腦中的突觸比覺醒的老鼠要小18%。“這個變化如此之大，讓人非常驚訝。”托諾尼說道。
另一項研究則是由約翰·霍普金斯大學博士后研究員格雷漢姆·迪林領導。迪林和同事是要通過研究老鼠腦部的蛋白質(zhì)來探究突觸穩(wěn)態(tài)假說。“我確實是要從這種有關具體細節(jié)的角度來研究這個問題。”迪林說。
在一項實驗中，迪林和同事打造了一個微小的窗口來觀察老鼠腦部內(nèi)的情況。之后，他們增加了一種化學物質(zhì)來點亮腦突觸上的表面蛋白質(zhì)。通過該微小的窗口，他們發(fā)現(xiàn)表面蛋白質(zhì)的數(shù)量在老鼠睡眠期間呈現(xiàn)減少。這正是突觸減少時你預期會發(fā)生的情況。
迪林和同事接著尋求從分子角度探究這種變化的觸發(fā)原因。他們發(fā)現(xiàn)，在夜間，突觸內(nèi)會增加或減少數(shù)百個蛋白質(zhì)。而其中一種蛋白質(zhì)尤為突出，它就是Homer1A。
在以往針對培養(yǎng)皿神經(jīng)元的實驗中，Homer1A被證明對于突觸修剪非常重要。迪林因而想知道它在睡眠中是不是也很重要。為了找到答案，他們專門研究因基因改造而無法生產(chǎn)Homer1A蛋白質(zhì)的老鼠。這些老鼠會像普通老鼠那樣睡覺，但它們的突觸并沒有像普通老鼠那樣改變它們的蛋白質(zhì)。
迪林的研究表明，睡意促使神經(jīng)元生產(chǎn)Homer1A，使得它被傳送到神經(jīng)元的突觸。而當老鼠進入睡眠狀態(tài)時，Homer1A會啟動突觸修剪機制。為了了解這種突觸修剪機制如何影響學習，科學家們對普通的老鼠進行了記憶測試。他們將老鼠放入一個房間，在房間里，如經(jīng)過門的一個區(qū)域，它們就會受到溫和的電擊。
那一晚，科學家們給部分老鼠的腦部注入了一種化學物質(zhì)。實驗證明，那種化學物質(zhì)會阻止培養(yǎng)皿神經(jīng)元修剪它們的突觸。次日，科學家們將所有的老鼠放回它們之前呆過的那個房間。兩組老鼠在很大一部分時間里都因為回想起被電擊的經(jīng)歷而害怕得無法動彈。
而當研究人員將那些老鼠放到不同的房間時，他們發(fā)現(xiàn)了一大差異。普通的老鼠會好奇地四處嗅探。而因被注入化學物質(zhì)而無法在睡眠時修剪腦部突觸的那些老鼠，則再一次無法動彈。
迪林認為，被注入化學物質(zhì)的老鼠無法記住它們具體是在哪一件房間受到電擊。由于在夜間沒有進行突觸修剪，它們的記憶最終變得很混亂。托諾尼和同事在實驗中發(fā)現(xiàn)，那種突觸修剪不會影響到所有的神經(jīng)元。有五分之一的突觸沒有任何的變化。這些突觸可能藏有不應被干預的固定記憶。
“你可以以一種聰明的方式遺忘。”托諾尼說道。另一方面，也有研究人員警告稱，這些新發(fā)現(xiàn)并不能明確證明突觸穩(wěn)態(tài)假說。華盛頓州立大學睡眠研究者馬科斯·弗蘭克認為，很難說大腦在夜間的變化是睡眠引起的，還是生物鐘引起的。“這是這一研究領域的一個普遍問題。”他表示。
俄亥俄睡眠醫(yī)學研究所馬庫斯·施密特說道，雖然大腦確實可能會在睡眠期間修剪突觸，但他對這是否就是睡眠存在的主要原因表示懷疑。談到最新的研究，他說，“它們干得很好，但問題是，突觸修剪是睡眠的一個機能，還是只是普通的機能？”施密特指出，不只是大腦，很多器官似乎在睡眠期間都有不同的運作。例如，內(nèi)臟似乎會生產(chǎn)出很多的新細胞。
托諾尼稱，這些新發(fā)現(xiàn)應當會促使研究人員去研究當前的安眠藥對大腦產(chǎn)生怎樣的影響。雖然該類藥物可能有助于人們?nèi)朊撸鼈円灿锌赡軙深A到形成記憶所需的突觸修剪機制。“這種藥實際上可能對你不利。”托諾尼說道。
未來，安眠藥可能會精確鎖定睡眠所涉及的分子，進而確保突觸得到恰當?shù)男藜簟！耙坏┠懔私獾交A層面發(fā)生的狀況，你就能夠知道該如何更好地提供睡眠治療。”托諾尼說。
