对老鼠的研究表明，睡眠不足会妨碍大脑形成新记忆的能力
通过对老鼠的研究，约翰霍普金斯大学的科学家们提供了有力的证据，证明睡眠的一个关键目的是重新校准负责学习和记忆的脑细胞，这样动物就可以“巩固”所学的知识，并在第二天晚上醒来时使用它们。
来自约翰霍普金斯大学医学院的研究人员还报告说，他们发现了几个控制重新校准过程的重要分子，以及证据睡眠不足，睡眠障碍安眠药会干扰这个过程。
领导这项研究的博士后Graham Diering博士说:“我们的发现坚定地推进了这样一种观点，即老鼠和人类的大脑在需要重新校准之前只能存储这么多信息。”“如果没有睡眠和睡眠中进行的重新校准，记忆就有丢失的危险。”
他们的研究摘要发表在该杂志的网络版上科学2月3日。
迪林解释说，目前对学习的科学理解表明，信息“包含”在突触中，神经元之间的连接通过突触进行交流。
在突触的“发送端”，被称为神经递质的信号分子在脑细胞“发射”时被释放出来;在“接收端”，这些分子被受体蛋白，传递“信息”。如果一个细胞通过突触接收到足够的输入，它就会释放自己的神经递质。
更具体地说，动物实验表明，接收神经元上的突触可以通过添加或移除受体蛋白来切换，从而加强或削弱它们，并允许接收神经元从附近的信号神经元接收或多或少的输入。
科学家认为记忆是通过这些突触变化编码的。但迪林说，这种想法有一个问题，因为当老鼠和其他哺乳动物醒着时，整个大脑的突触倾向于加强，而不是减弱，将系统推向最大负荷。当神经元“超负荷”并不断放电时，它们就会失去传递信息的能力，从而阻碍学习和记忆。
神经元通常不会达到极限的一个可能原因是，这个过程在实验室培养的神经元中得到了充分的研究，但在睡着或清醒的活体动物中却没有。这一过程被称为内稳态缩小，它会均匀地削弱神经网络中的突触，使其相对强度保持不变，并允许学习和记忆的形成继续进行。
为了弄清楚睡眠中的哺乳动物是否也有这个过程，迪林把注意力集中在老鼠大脑中负责学习和记忆的区域:海马体和皮层。他在睡眠和清醒的小鼠中纯化了接收突触的蛋白质，寻找在实验室培养的细胞缩小过程中看到的相同变化。
结果显示，与清醒的小鼠相比，睡眠小鼠的受体蛋白水平下降了20%，这表明它们的突触总体上减弱了。
“这是活体动物体内稳态下降的第一个证据，”神经科学教授、神经科学系主任、该研究的主要作者理查德·胡加尼尔博士说。“这表明，小鼠大脑中的突触每12小时左右就会重组一次，这是非常了不起的。”
为了具体了解是哪些分子导致了这种现象，研究小组转向了一种名为Homer1a的蛋白质，这种蛋白质是1997年由神经科学教授保罗·沃利医学博士发现的，他也是进行这项新研究的团队的一员。研究表明，以古希腊作家和科学“奥德赛”命名的homer1a对调节睡眠和清醒，以及在实验室培养的神经元中降低稳态很重要。
重复他之前对突触蛋白的分析，迪林确实发现睡眠小鼠的突触中homer1a的水平比清醒小鼠高250%。而在缺失Homer1a基因的转基因小鼠中，先前与睡眠相关的突触受体蛋白的减少不再存在。
为了弄清楚Homer1a在小鼠睡眠或清醒时是如何感知的，研究人员观察了神经递质去甲肾上腺素，它驱动大脑唤醒和清醒。通过阻断或增强实验室培养的神经元和小鼠的去甲肾上腺素水平，研究人员证实，当去甲肾上腺素水平较高时，Homer1a远离突触;当水位低时，它就聚集在那里。
为了直接测试Homer1a的位置是否与睡眠有关，研究小组把老鼠放在一个陌生的笼子里，让它们多醒四个小时。其中一些人得到了两个半小时的“恢复性睡眠”。正如预测的那样，在睡眠不足的小鼠中，接收突触中的Homer1a水平要比获得恢复性睡眠的小鼠高得多。迪林说，这表明Homer1a对动物的“睡眠需求”很敏感，而不仅仅是一天中的什么时间。
迪林强调，睡眠需求是由腺苷控制的，腺苷是一种化学物质，当动物保持清醒时，它会在大脑中积累，引发嗜睡。(咖啡因是世界上消费最广泛的精神药物，直接干扰腺苷。)当小鼠在睡眠剥夺期间服用阻断腺苷的药物时，它们突触中的Homer1a水平不再增加。
“我们认为Homer1a是某种交通警察，”Huganir说。“它会评估去甲肾上腺素和腺苷的水平，以确定大脑何时足够安静，可以开始下降。”
研究人员假设在睡眠中减少睡眠时间对学习和记忆至关重要，作为对这一假设的最后测试，研究人员测试了老鼠在不减少睡眠时间的情况下学习的能力。每只老鼠被放置在一个陌生的场所，并在它们醒来或睡觉前受到轻微的电击。然后，一些老鼠服用了一种已知能防止缩小的药物。
当一只未服药的老鼠在睡觉前受到电击时，它的大脑经历了缩小的过程，并在该区域和电击之间形成了联系。当被置于同一个竞技场时，这些老鼠有25%的时间一动不动，因为它们害怕再次受到电击。当被置于另一个不熟悉的竞技场时，他们有时会冻结，但只有9%的时间在那里，可能是因为他们相对擅长区分两个不熟悉的竞技场。
迪林原以为，服用了药物的老鼠在睡眠中无法收缩的记忆会较弱，因此会比未服用药物的老鼠更少冻僵，但令他惊讶的是，当它们回到被电击的场地时，它们一动不动的时间更长(40%的时间)。但在一个新的竞技场中，服用了药物的老鼠一动不动的时间也更长(13%)。当小鼠醒来后给予电击时，药物对小鼠在两个部位冻结的时间没有影响，这证实了收缩只发生在睡眠期间。
“我们认为，服用了药物的老鼠对电击的记忆更强，因为它们的记忆更强突触无法经受缩小，但其他各种记忆也依然强烈，所以老鼠他们感到困惑，不能轻易区分这两个领域，”迪林说。“这说明了为什么‘睡一觉’实际上可以理清你的想法。”
“底线是，”他说，“睡眠并不是大脑真正的休息时间。到那时，它有重要的工作要做，而我们发达国家在这方面的节俭是在亏待自己。”
Huganir说，睡眠仍然是一个很大的谜。“在这项研究中，我们只检查了大脑的两个区域大脑在睡眠中。就这一点而言，在身体的其他部位，以及整个身体，可能也发生着同样重要的过程。”
需要进一步探索的事件包括，睡眠障碍和其他已知会扰乱人类睡眠的疾病(如阿尔茨海默病和自闭症)是如何影响学习和记忆的。Huganir还表示，苯二氮平类药物和其他通常被用作镇静剂的药物，如肌肉松弛剂等睡眠虽然这一观点还有待实验验证，但人们已经知道，辅助药物会阻止体内平衡的下降，并可能干扰学习和记忆。
