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【醫學新知】睡眠目的是為了「遺忘」?

09
February
2017

報導來源:紐約時報《The Purpose of Sleep? To Forget, Scientists Say》、Laboratory Equipment《Sleep Deprivation Handicaps Brain’s Ability to Form New Memories》、Fox News《Sleeping shrinks the brain … and that's a good thing

 

長久以來科學家不斷探討、研究,想要揭開「睡眠」的神秘面紗。對於為什麼我們要睡覺,從科學家到巷口早餐店老闆娘,都可以提出有很多不同看法。有人說這是傳承的習性,因迫使動物躺下去睡覺,藉此逃過捕獵者;有人說睡覺可讓大腦有機會清掉細胞廢物;還有人說感冒時多睡覺可以幫助身體修復。

 

上週四(2017/2/2) 《科學》(Science)期刊中發表了兩篇論文為另一種有趣的觀點提出了證據:我們之所以睡覺是為了忘記每天所學到的一些東西

 

你知道嗎?當開始學習新事物,受到刺激,大腦神經元之間的突觸就會增加,把神經元連接起來。透過這些連結,大腦可以更快速有效地傳遞神經信號,我們就可以在這樣的神經網絡中儲存新的記憶。

 

而在2003年,由威斯康辛大學麥迪遜分校(University of Wisconsin-Madison)的生物學家托諾尼(Giulio Tononi)和希雷利(Chiara Cirelli)提出:突觸在日間快速增長,使得大腦變得過於「嘈雜」(noisy);而當我們睡覺時,大腦會削減掉一些連結,突出重要的訊息。

 

經過幾年的研究後,兩位科學家與其團隊找到一系列間接證據,並在《科學》期刊上發表,支持他們提出的「突觸體內平衡」(synaptic homeostasis hypothesis)假說,也就是在睡覺過程中,大腦會開始自動修剪不必要且多餘的突觸,進而幫助記憶重整。舉例來說,科學家利用一種特殊藥物,刺激神經元叢使其新長出突觸,但他們發現,這些神經元會自動削減額外長出得部分突觸。同時,他們也認為當深度睡眠時腦波比較平緩,這也跟突觸的修整有關。

 

此外,他們更驚人的發現,當採集睡著的老鼠的大腦突觸切片,其體積相比醒著的老鼠小了18%!

 

第二個研究由約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)博士後研究員迪耶雷(Graham H. Diering)與其團隊所執行,透過研究老鼠大腦的蛋白質來探討「突觸體內平衡」假說。他們在老鼠大腦上創造了一個非常小的窗口,由此觀察老鼠大腦內部運作。同時,加入一種化學藥劑,藉此讓突觸上的表面蛋白亮起(如下圖)。

 

小土大腦在正常睡眠下的正子掃描圖。圖片來源:紐約時報 HANK MORGAN / SCIENCE SOURCE

圖:老鼠大腦在正常睡眠下的正子掃描圖。 (圖片來源:紐約時報-HANK MORGAN / SCIENCE SOURCE)

 

觀察發現,在睡眠期間這些表面蛋白數量下降,顯示突觸正在減少。其中,又以Homer1A的蛋白質格外突出,並於早期研究顯示此蛋白質會睡眠期間啟動修剪突觸。

 

為了觀察這種修剪機制如何影響學習,科學家對老鼠進行記憶測試:先讓牠們進入一個房間,當牠們踩到地上的一個區塊,便會感受到輕微電擊。當晚部份老鼠大腦被注入一種阻擋修剪突觸的化學物質。

 

隔天又把老鼠們放到同一個房間時,兩組老鼠都很害怕會再踩到電擊區塊,大部份時間都僵住不動;但當把老鼠放到另一個房間時,科學家們看到很大的區別:未被注射化學物質的正常老鼠好奇地四處嗅探,但另一組老鼠則依然僵住。

 

迪耶雷博士認為,注射化學物質的老鼠,沒辦法在睡覺時修剪突觸,記憶變得混亂,不能將被電擊的經歷只連結到牠們受電擊的特定房間,便不敢妄自採取行動。

 

同時,迪耶雷博士也觀察到,並非所有神經元都被修剪。「其中約有1/5的突觸是沒有受到更動的。」他的認為有可能這些突觸已將記憶重新「編碼」過、儲存進資料庫中,屬於穩定的記憶,不該被修改、破壞。迪耶雷博士說「這是很聰明的遺忘方式」。

 

不過其他研究人員則謹慎地認為,這些新發現不是證明「突觸體內平衡」假說的有力證據。到底是睡眠的主要功能?或是次要功能?

 

華盛頓州立大學(Washington State University)睡眠研究員法蘭克(Marcos G. Frank)與俄亥俄睡眠醫學研究所(Ohio Sleep Medicine Institute)的施密特(Markus H. Schmidt)都認為還需要更多研究討論,才能進一步了解大腦這些變化是因為睡眠引起,抑或是睡眠周期使然?

 

最後,托諾尼博士提醒「安眠藥可能會干擾形成記憶所需的突觸修剪過程」,切記需要謹慎使用安眠藥物。

 

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