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Science: 睡眠的关键目的是让人更好记忆和巩固清醒时学过的东西!

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译文首发于唧唧堂,译者: 唧唧堂研究人  iLcty 卡羅尔

摘要:对老鼠的研究显示,就那些在夜间活动的老鼠来讲,睡眠的关键目的在于重新校准负责学习和记忆的脑细胞,动物因此能够“巩固”它们在清醒时学习到的东西,科学家们已经找到强化这一发现的证据。

来自约翰霍普金斯大学医学院的研究者报告称,他们还发现一些重要的管理再校准过程(govern the recalibration process) 的分子,以及睡眠剥夺,睡眠障碍,安眠药对这一过程会出现干预的证据。

领导这项研究的博士后研究员Graham Diering说:“我们的研究巩固了 ‘老鼠和人类的大脑在重新校准(recalibrate)之前只能够储存一定量的信息’ 这样一个观点,如果没有了睡眠以及睡眠期间进行的重新校准,记忆面临着消失的危险。”

他们研究发表在2月3日的《Science》杂志上。

Diering解释说,目前对学习的科学理解表明,信息是“包含”在突触中的,它们通过神经元之间的联结进行交流。

在突触的“发送方”,被称为神经递质的信号分子当它们“发射”时,会被脑细胞释放出来,在突触的“接收方”,这些分子被受体蛋白所捕捉,由此将“信息”传递下去。如果一个细胞通过突触接收到足够的输入,它就会释放它自己的神经递质。

更具体来说,在动物身上所做的实验显示了,在接收神经元上的突触可以通过增加或是移除受体蛋白的方式被栓牢固定,从而增强或是减弱它们以及允许接收神经元从临近的信号神经元中接收更多或是更少的输入。

科学家相信,记忆是通过这些突触的变化得以被编码的。但是在这个观点中有一个小的“漏洞”,Diering说,因为当老鼠和其他的哺乳动物清醒的时候,贯穿大脑的突触是倾向于增强而不是减弱,这会将系统推向最大负载量。当神经元“负载量最大”,并且持续性的发射时,它们会失去传递信息的能力,学习和记忆的能力。

神经元通常不会到达“最大负载量”的一个可能的原因是这是一个在实验室培养的神经元中被充分研究的过程,而不是在活体动物睡眠或清醒时得出的。众所周知的“稳态缩放”指的是,均匀地削弱中枢神经网络中突触的一小部分,使它们的相对强度保持不变,并允许学习和记忆的形成继续。

为了找到这样的过程是否会在睡眠时的哺乳动物身上发生,Diering聚焦于老鼠大脑中负责学习和记忆的区域:海马和皮层。他从清醒时与睡眠中老鼠的接收神经中提取蛋白质寻找在实验室培养细胞在“稳态缩放”过程中同样的变化。

结果显示,相较于清醒时的老鼠,睡眠中的老鼠受体蛋白水平下降了20%,表明它们突触从整体水平上被减弱了。

研究的领导者,神经科学系的主任,神经科学教授,Richard Huganir博士说:“这是第一个活体动物身上稳态缩放的证据,这表明突触会贯穿老鼠的整个大脑每12个小时左右进行一次重构,这是相当不同寻常的发现。”

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picture from 500px by Nathalie Rouquette

为了具体了解负责这一现象的到底是哪种分子,团队转向一种被称为“Homer1a(以古希腊作家荷马命名)”的蛋白质,这种蛋白质于1997年被医学博士,神经科学教授Paul Worley发现,Paul Worley同样参与了新研究的指导。研究表明,Homer1a对睡眠和清醒的管理以及在实验室培养的神经元的稳态缩放十分重要。

重复他之前对突触蛋白的分析,Diering的确找到了更高水平的Homer1a(250%以及更多)在睡眠中的老鼠而非清醒时的老鼠身上。在转基因的老鼠身上没有发现Homer1a,之前与睡眠相关的突触受体蛋白的减少也没有了。

为了了解当老鼠清醒或是睡眠时Homer1a如何感知,研究者又转向神经递质去甲肾上腺素,去甲肾上腺素会令大脑唤起和清醒。无论是在实验室里培养的神经元,还是在老鼠身上,通过阻止或是增强去甲肾上腺素水平,研究者证实了,当去甲肾上腺素水平高的时候,Homer1a远离突触;当去甲肾上腺素水平低的时候,Homer1a会聚集突触。

为了直接检验Homer1a的位置是否与睡眠有关,研究团队以将老鼠放置到不熟悉的笼子里面的方式让老鼠们保持额外四个小时的清醒时间。其中一些老鼠会得到两个半小时的“修复睡眠”时间。如预测的那样,相比那些得到了修复睡眠时间的老鼠,那些睡眠被剥夺的老鼠的接收突触的Homer1a水平更高。Diering说,这表明了Homer1a对动物的“睡眠需要”很敏感,而不只是一天中的某一时间。

Diering强调,睡眠需要受到腺苷控制,腺苷是一种当动物清醒时,在大脑内不断累积并唤起睡眠感的化学物质。(咖啡因,是一种在世界范围内使用最为流行广泛的精神药物,直接干扰腺苷。)当老鼠在睡眠时被剥夺给予阻碍腺苷的药物,Homer1a的水平就不再在突触中增加。

Huganir说:“我们认为Homer1a像是一个交通警察,它会评估去甲肾上腺素与腺苷的水平去决定大脑在什么时候已经充分冷静到可以进行稳态缩放。”

至于最后一个睡眠期间的缩放对学习和记忆具有关键作用这样一个假设,研究者检验了老鼠在没有缩放情况下的学习能力。将单个老鼠放置在不熟悉的场景下,在它们醒来或是刚好准备睡着的时候给予温和的电击。有些老鼠会被注射阻止缩放的药物。

当没有被注射药物的老鼠在睡着前给予电击,它的大脑会经历缩放并形成场景与电击两者之间联系的印象。当被放置在相同的场景中,这些老鼠害怕再次遭到电击,会用上自己大概25%的时间保持不动。当被放置在一个完全不同的不熟悉的场景中,它们有时会保持不动,但只有大概9%的时间,可能是因为它们能够相对较好的分辨出两种不熟悉场景的差异。

预期那些被注射药物的老鼠无法在睡眠期间缩放,因此记忆更弱,因此相较于那些没被注射药物的老鼠,注射了药物的老鼠一动不动的时间也更少。Diering对回到被电击的场景中,它们保持不动的时间更长(它们时间的40%)感到很惊讶,但是在新的场景中那些被注射药物的老鼠保持不动的时间也很长(它们时间的13%)。当老鼠醒来时被给予电击,药物对老鼠在无论哪种场景中保持不动的时间的影响没什么差别,这证实缩放仅在睡眠期间发生。

Diering说:“我们认为电击的记忆在那些被注射药物的老鼠身上更强烈,因为它们的突触无法进行缩放,但是各种其他的记忆却仍然十分强烈,所以老鼠会觉得很疑惑,并且不能轻易分辨两种场景,这表明了为什么睡眠确实是可以明晰想法。”

Diering说 “睡眠不是真正的大脑停机时间,它在完成很重要事情。我们身处于发达国家,却常常通过克扣睡眠亏待自己。

Huganir补充说:“睡眠仍旧是一个很大的谜团,在这项研究中,我们仅仅检验了在睡眠期间大脑的这两个区域究竟在进行着什么,大脑的其他区域或许也以同样的原因作用整个身体产生同样重要的其他影响。

需要进一步解释的是学习与记忆是怎样被睡眠障碍以及其他为人所知的,会扰乱睡眠的比如阿兹海默和自闭症这些疾病所影响的。Huganir还说,巴比妥类药物以及其他通常被描述为镇定剂的比如肌肉松弛剂和其他的辅助睡眠的药物,众所周知是阻止稳态缩放的,因此还有可能干扰学习与记忆,尽管这个想法还尚未被实验检验过。

研究报告的其他作者包括Raja nirujogi,约翰霍普金斯大学医学院的Richard Roth和Akhilesh Pandey。

这项研究由加拿大健康研究所,约翰霍普金斯的蛋白质组学中心,国家卫生研究院主任办公室(s10od021844)和国家精神卫生研究所(5p50mh100024)资助。

参考文献:

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

论文原文:

Johns Hopkins Medicine. (2017, February 2). Sleep deprivation handicaps the brain’s ability to form new memories, mouse study shows: Chemical recalibration of brain cells during sleep is crucial for learning, and sleeping pills may sabotage it. ScienceDaily. Retrieved February 11, 2017 from www.sciencedaily.com/releases/2017/02/170202141916.htm

 译 ✎ 唧唧堂研究人  iLcty 卡羅尔 

 来源 ✎ 唧唧堂(ID:Jijitang_com)

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