突触稳态假说揭示睡眠的意义

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人们往往有着这样的感受：在长时间保持清醒状态之后，大脑感觉好像再也不能接受任何的信息，但几个小时的休息就又能让大脑的状态得以恢复。

现在，来自威斯康星大学医学和公共卫生学院的研究者揭开了这个现象背后的机制，表明睡眠在脑应对环境时尝试改变的本领上起着关键性的作用。这种本领就称作可塑性（plasticity），它是学习的核心。

此项研究成果刊登在2008年1月20日《Nature Neuroscience》在线杂志上，UW-Madison科学家通过一系列的测量，发现脑的可塑性最主要依赖于神经细胞间的联系——突触（synapse）。当啮齿动物苏醒时，突触就非常强；当啮齿动物睡眠时，突触就变弱。

这些发现支持了UW-Madison研究者对睡眠作用的一个猜想：当人们睡眠的时候，他们的突触就会相应减弱，为新的一天、新一轮的学习、突触的增强做好准备。

精神病学副教授Chiara Cirelli解释说，人脑将80%的能量用于突触的活性上，在应对不同的刺激时，持续性地增加和增强神经元的联系。因为人脑中每百万神经元中就包含数千个突触，这笔能量支出是“非常巨大且不能长期持续的”。

“我们需要‘下线’的时期。当我们没有去主动接触新环境时，让突触得以‘休息’，” Cirelli说道，“我们认为这就是任何生物体需要睡眠的原因所在。没有睡眠，脑就会达到一个饱和点。在这个饱和点上，能量预算已满，供给还没有恢复，学习能力也很弱。”

“此项研究表明，当突触活性增强时，更多的谷氨酸受体进入突触，从而突触变得更大更强，” Cirelli解释道。Wisconsin研究小组惊奇地发现，保持清醒的状态时的大鼠脑中受体要比休息时多出50%。

此外，研究者还发现，表明突触增强的受体的磷酸化水平，苏醒时要比睡眠时高出许多。一些酶的活性强弱也与这一结果相吻合。对活体大鼠脑的电刺激发现，相同刺激在清醒状态下引起的反应要强得多。

“总结起来说，这些分子和电生理的实验证实了我们的猜想——突触稳态假说。我们的脑电路在清醒状态时变得较强，睡眠能让它们重新维持在一条基本线上。” Cirelli说道。



图：Molecular correlates of LTP/LTD in wakefulness and sleep.

资料来源：University of Wisconsin-Madison

参考文献：Molecular and electrophysiological evidence for net synaptic potentiation in wake and depression in sleep

Vladyslav V Vyazovskiy, Chiara Cirelli, Martha Pfister-Genskow, Ugo Faraguna & Giulio Tononi

Nature Neuroscience Published online: 20 January 2008; | doi:10.1038/nn2035

http://news.biox.cn/content/200801/20080125071628_3705.shtml