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Science:美约翰霍普金斯大学科学家揭示睡眠时候大脑神经连接变弱机理

摘要 : 2017年2月3日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志上在线发表了美国约翰霍普金斯大学Richard L. Huganir研究员的一篇研究论文,论文揭示动物在沉睡时,大脑神经元的联系以相同比例变弱。

2017年2月3日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志上在线发表了美国约翰霍普金斯大学Richard L. Huganir研究员的一篇研究论文,论文揭示动物在沉睡时,大脑神经元的联系以相同比例变弱。

无论你是否意识到,在你清醒着的每个时刻,你所接触形形色色的事物都在促使大脑发生变化。尤其是神经的连接,突触会随着信号的传播增多变大,使得从一个神经元发出的信号更容易激发下一个神经元,神经元间的联系变得紧密。这便是人类进行学习和储存记忆的方式。但是,这一过程必须得到一定的限制。

神经元间紧密的联系的状态十分耗能,因此该状态不能长时间维持。若非要如此,也会因为神经元变得过于紧张,过度活跃而导致痉挛或癫痫。霍Richard Huganir 教授表示,理论上讲,当脑内神经突触都达到饱和后,由于突触不能变得更强,大脑便再不能编码任何的新的信息。

大脑自有应对措施。大脑可以通过按比例弱化神经突触,在整体上降低强度。如果突触的强度大于另一个,弱化过程只降低了它们的绝对强度,而保留它们的相对强度。

2003年,迪逊大学的 Cirelli 称这种神经整体弱化的过程在睡觉时最为显著。睡眠是为大脑重整提供了机会,为次日的学习做好准备,可以说,没有睡眠,就不可能学习。Cirelli 提出,这可能是睡眠存在的原因之一。这一理论能部分解释为什么睡眠在动物界广泛存在,为什么我们的大脑能力在一夜无眠后会受到影响。

对于睡眠时神经元连接的弱化,Cirelli 和 Huganir 分别找到了支持。Cirelli 的团队对小鼠清醒和沉睡的大脑中7000多个神经突触的尺寸进行了测量。他们发现,突触的平均长度在睡眠状态下有所收缩。与清醒状态下相比,两神经间的连接在睡眠状态下均减少了18-20%。如之前所描述,弱化是等比例的,保持的是相对强度。

Huganir 的团队考察的是化学物质。他观察突触上接受化学信号的受体蛋白。此前人们发现一些受体,特别是 AMPA 类的受体——是神经突触强度的良好指示剂。研究这些这些受体显示,神经突触强度在睡眠状态下下降。

他分别从沉睡小鼠和清醒小鼠的脑内分离了大量的突触,并测量了上千种蛋白的水平。他还用荧光分子标记了一些受体,用显微镜追踪他们在啮齿类活体脑内的踪迹。两种技术都显示,包括 AMPA 在内的许多受体都在小鼠睡觉的时候从神经突触上被移除了。

但是,并不是所有突触都是这样。基于实验数据,脑内最强大的20%左右的神经突触不受整体弱化作用的影响。这一现象的意义尚不明确。“我们认为这些神经突触的连接存在的时日已久,”Cirelli 说,“我猜想它们可能是长期记忆的储存体,那些是在你睡觉的时候也不会忘记的记忆。而大多数能被弱化的突触,多数是用于记住最近的事情。如果它们之间的联系中断一些时日,它们就会消失。”所以“不会休息,就不会工作”,也许是真的。

原文链接:

Homer1a drives homeostatic scaling-down of excitatory synapses during sleep

原文摘要:

Sleep is an essential process that supports learning and memory by acting on synapses through poorly understood molecular mechanisms. Using biochemistry, proteomics, and imaging in mice, we find that during sleep, synapses undergo widespread alterations in composition and signaling, including weakening of synapses through removal and dephosphorylation of synaptic AMPA-type glutamate receptors. These changes are driven by the immediate early gene Homer1a and signaling from group I metabotropic glutamate receptors mGluR1/5. Homer1a serves as a molecular integrator of arousal and sleep need via the wake- and sleep-promoting neuromodulators, noradrenaline and adenosine, respectively. Our data suggest that homeostatic scaling-down, a global form of synaptic plasticity, is active during sleep to remodel synapses and participates in the consolidation of contextual memory.

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