為什麼「睡幾分鐘」之後，我們就能更清醒得思考
我們的人生中有三分之一的時間都花在睡覺上，但到現在我們仍不清楚睡覺的原因。最近的一項研究顯示，我們睡覺的時候，大腦其實在進行類似於「房屋打掃」、清理冗餘的工作。根據另外一種假說，睡眠在恢復大腦突觸的內部平衡以增強學習能力中起到了至關重要的作用。近期發表在Science上的兩篇文章為這一想法提供了直接的證據。
眾所周知，睡眠對強化最新形成的記憶至關重要。在清醒的時候，我們會接觸到各種各樣的信息，包括有意識的和無意識的。為了儲存這些信息，我們的大腦會不斷修改神經突觸間的連接，使其中的一部分鏈接變得更強、更廣。而當我們睡覺的時候，這部分之外的神經元突觸則被弱化。這樣，大腦就能將有用的新信息儲存起來，而隱藏那些無用的信息。
Giulio Tononi認為，伴隨個體學習過程的神經突觸連接增強會導致大腦耗能的增加，有可能會導致大腦信息處理能力的過載。他提出的神經遞質動態平衡假設認為，睡眠過程使得全腦神經突觸的綜合性能得到正常化，當人體進入睡眠之後，神經突觸會大面積「縮水」，來抵消在學習過程中產生的激增。Giulio Tononi和他的長期合作夥伴Chiara Cirelli的研究證明，即便是很短期的睡眠或失眠，也會在多個層面上改變神經介質的活動，使得突觸的數量減少或增加。該研究目前已經在鼠腦實驗中得到證實。
Luisa de Vivo所主持的一項實驗，設置了三個鼠類對照組：四隻剛剛進入睡眠狀態，四隻保持清醒狀態並玩玩具，四隻處於自然醒來的狀態。該實驗運用電子顯微鏡的面部掃描高解析度三維成像技術，來觀察分布在鼠類腦皮層兩個不同區域內的7000多個突觸連接。在歷時4年的研究中，研究者通過對上千張圖像的觀察，來計算神經末端和樹突棘之間的表面積——大腦神經突觸中微小的手指狀的接收終端，這些終端會在突觸增強的時候變大。研究者發現，鼠類進入睡眠狀態時，該面積會比清醒狀態的鼠類減少18%，或者說，是神經突觸的連接減少了18%。研究證實，這種縮減被限制在小的突棘範圍內，而不是始終保持所有神經突觸的一致性。這實際上驗證了「縮減」假說。
第二項研究則證實了神經突觸動態平衡的假設，並解釋了突觸縮減背後的分子機制。約翰霍普金斯大學的Graham Diering和他的同事研究了神經突觸是如何在睡眠-清醒的循環中進行變化的。他們利用雙光子成像技術，對突觸蛋白質進行熒游標記，並用蛋白質生物學的方法來凈化和分析樹突中的蛋白質。
研究發現，睡眠與樹突棘的大小變化有關，並伴隨著約20%的分子從突棘中分離——一種被命名為AMPA的接收物質。當鼠類清醒的時候，一種叫做Homer的神經蛋白物質會將其他的接收物質和他們的對照分子合成在一起，共同活動於細胞膜之下的神經突觸中。在睡眠狀態中，Homer的一種變體Homer1a則進入樹突棘將這種合成分解，造成AMPA的分離，使得樹突棘縮減和弱化。
該研究團隊還實施了剔除Homer1a蛋白質的鼠類基因工程。這些鼠類可以和其他同類一樣進入睡眠狀態，但它們樹突棘當中的蛋白質不再發生變化。由此證實，Homer1a在神經突觸的縮減中起到了重要作用。
最後，研究人員使這些老鼠不斷靠近微電流的位置（微電流會對小鼠造成痛苦），然後向它們注射某種防止Homer1a進入樹突棘的化學物質，並將實驗鼠放置到新的位置上。隨後研究者釋放老鼠，令它們可以自由靠近任何位置，但那些被注射過抑製劑的老鼠卻始終畏縮在角落——這是一種害怕和焦慮的表現，證明了這些老鼠對於之前的觸電經歷有了侵入性的記憶。
綜合來看，這些研究為神經突觸生態平衡假設提供了有力的實驗證明，幫助我們理解了為什麼睡眠對於大腦功能來說如此重要，為什麼「睡一下」可以幫助我們更清醒的思考。
然而，依然有許多不清楚的問題在困擾我們。例如，這些神經突觸是如何縮減的？我們知道有一種免疫細胞叫做「小神經膠質修剪突觸」，它們也參與到縮減過程中了嗎？這些縮減與學習和記憶過程中的神經元活動有什麼關聯？又是如何作用於記憶強化的？這些問題依然引導著我們探究睡眠的奧秘
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【參考文獻】
de Vivo, L., et al. (2017). Ultrastructural evidence for synaptic scaling across the wake/sleep cycle.Science, 355: 507-10.
Diering, G. H., et al. (2017). Homer1a drives homeostatic scaling-down of excitatory synapses during sleep.Science, 355: 511-15.
來源：衛報
鏈接：https://www.theguardian.com/science/neurophilosophy/2017/feb/03/sleep-may-help-us-to-forget-by-rebalancing-brain-synapses
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作者｜吳靜雅
校對｜葉耶耶
編輯｜李貝咔嚓
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