最近，發(fā)表在《科學(xué)》上的兩項研究顯示，大腦內(nèi)部參與晝夜調(diào)節(jié)的“生物鐘”基因會在睡眠期間對神經(jīng)突觸的活動進行調(diào)節(jié)，而這個過程與神經(jīng)突觸在白天的活力密切相關(guān)。缺乏睡眠的人，白天會喪失突觸的活力，導(dǎo)致大腦遲鈍，整個人精神恍惚、思維混亂。
撰文丨Emily Willingham
翻譯丨石云雷
審校丨楊心舟
生物鐘與晝夜節(jié)律
現(xiàn)在，很多人都面臨著睡眠時間不足的問題。睡眠和思考能力密切相關(guān)，充足的睡眠會讓大腦更加敏銳，而缺少睡眠時，思維也會變得遲鈍。
神經(jīng)生物學(xué)家對這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因十分熟悉，他們認為外部的光線和黑暗信號會幫助人類設(shè)置一天的生物鐘或者晝夜節(jié)律。人體內(nèi)的生物鐘主要位于大腦的交叉上核（SCN）區(qū)域。每天早上，當(dāng)光刺激視網(wǎng)膜時，特定的神經(jīng)就向SCN傳遞信號，而SCN則控制著大量生物活性物質(zhì)產(chǎn)生周期。
除大腦之外，人體的肝臟、胃和胰臟等器官、組織和單個細胞中，也存在次要生物鐘調(diào)控。而這些區(qū)域的細胞鐘能表達“生物鐘”基因（Clock gene）。1984年科學(xué)家從果蠅中分離并克隆到了第一個生物鐘基因。目前，從人類和多種動物中檢測出的“生物鐘”基因已經(jīng)有10多種。
“生物鐘”基因扮演著身體內(nèi)部的時間管理者角色，會影響不同階段的大腦活動，而大腦中各個神經(jīng)元之間則通過突觸傳遞相關(guān)信號，并調(diào)節(jié)其他器官的生物鐘。但現(xiàn)在科學(xué)家還不知道人們在進入睡眠狀態(tài)后，這些因素是如何通過相互作用來喚醒大腦的。
缺乏睡眠，突觸混亂
最近，發(fā)表在《科學(xué)》上的兩項研究證實，神經(jīng)元之間的突觸在喚醒大腦的過程中發(fā)揮了重要作用。研究人員表示，大腦內(nèi)部為睡眠所做的準(zhǔn)備工作，以及外部睡眠相關(guān)行為的效應(yīng)都會在突觸匯聚。神經(jīng)元中的時鐘基因會節(jié)律性地在突觸周圍進行準(zhǔn)備，好在睡眠時期調(diào)節(jié)表達參與突觸活動的蛋白。然而，兩項新研究顯示，在缺乏睡眠時，這些至關(guān)重要的蛋白就無法通過磷酸化被激活，因而后續(xù)代謝通路被關(guān)閉，造成。
得克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心的Robert Greene表示：“這些結(jié)果顯示，大腦會為神經(jīng)活動做好準(zhǔn)備，但這并不意味著這個過程一定會完成?！彼赋觯@兩項研究十分有意義，它們確認了大腦內(nèi)在的時間管理和睡眠之間的聯(lián)系。
我們會變得昏昏欲睡，主要有兩個原因。一是睡眠壓力，即對睡眠的需求。當(dāng)清醒的時間跨度變長時，我們對睡眠的需求會同步增長。二是身體內(nèi)部的生物鐘會發(fā)出規(guī)律性的睡眠時間信號。其中的一項研究中，瑞士蘇黎世大學(xué)藥理和毒理研究所的Sara B. Noya和同事通過小鼠實驗顯示，體內(nèi)的生物鐘會調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律形成的指令，或者指導(dǎo)蛋白合成的轉(zhuǎn)錄本。而只要進入睡眠狀態(tài)，就能保證大腦可以完成突觸蛋白產(chǎn)生的最后一步。
Noya領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊發(fā)現(xiàn)，大腦的感知區(qū)域中的神經(jīng)元會為時間管理相關(guān)的細胞準(zhǔn)備好這些轉(zhuǎn)錄本，并且活躍程度在我們清醒前和剛?cè)胨瘯r達到頂峰。在入睡時，轉(zhuǎn)錄本會指導(dǎo)一些調(diào)節(jié)性蛋白的合成，這些蛋白會影響脂質(zhì)代謝、運輸和細胞的生長和增殖。
而在醒來時，轉(zhuǎn)錄本主要指導(dǎo)參與突觸相關(guān)蛋白的合成，這會影響突觸組織功能、突觸間信息傳播及其他依賴突觸的行為，比如記憶、學(xué)習(xí)和行為輸出。在睡眠時期，上述這些分子會讓神經(jīng)突觸迅速更新。在缺乏關(guān)鍵生物鐘基因的小鼠中，則不會出現(xiàn)這兩個頂峰時期。
不同時間，轉(zhuǎn)錄本會對應(yīng)不同的蛋白功能。
在一個正常的睡眠和清醒的循環(huán)中，根據(jù)指令被合成的蛋白，也會分別在黃昏和清晨達到頂峰時期。然而，Noya和同事證實在睡眠被剝奪的小鼠中，細胞也能產(chǎn)生許多相關(guān)的轉(zhuǎn)錄本，但不會產(chǎn)生蛋白。這個研究結(jié)果暗示，睡眠會調(diào)節(jié)最后一步的蛋白構(gòu)建過程，以確保神經(jīng)突觸具有充足的活力。
調(diào)控蛋白磷酸化
實際上，并非所有蛋白都會參與兩次激活過程。而蛋白上磷酸分子的連接和移除可以控制蛋白的激活和關(guān)閉，因此在另一篇相關(guān)的論文中，德國慕尼黑大學(xué)和馬克斯普朗克生物化學(xué)研究所的Franziska Brüning和同事探究了參與晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)的蛋白磷酸化狀況。他們發(fā)現(xiàn)蛋白的磷酸化水平，也會在一天內(nèi)兩次達到頂峰，其中更高水平的磷酸化恰好出現(xiàn)在清醒之前。與另外一篇論文對應(yīng)，小鼠睡眠被剝奪時，兩次蛋白磷酸化峰值也都會消失。
研究中，研究人員會每4個小時進行一次測量。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的神經(jīng)科學(xué)家Chiara Cirelli表示，之前的研究通常在一天的時間內(nèi)只進行一次測量，這項研究對其進行了改進。她指出，“這兩項研究對完整的睡眠和清醒過程，進行了非常綜合的分析?！?/p>
Cirelli強調(diào)對神經(jīng)細胞中的突觸區(qū)域進行單獨研究十分重要，這也是大量轉(zhuǎn)錄本富集和蛋白產(chǎn)生的地方。這兩項研究證實了，轉(zhuǎn)錄本是在什么時間準(zhǔn)備就緒，而由磷酸分子激活的蛋白又是何時被制造和使用的。
兩篇論文的共同作者、慕尼黑大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Maria Robles表示，這些研究很具有啟發(fā)性，通過區(qū)分突觸蛋白產(chǎn)生和發(fā)揮作用的不同階段，我們揭示了大腦對這些分子的精密控制系統(tǒng)。
賓夕法尼亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Akhilesh B. Reddy提到，雖然這兩項實驗都是在小鼠中進行的，但小鼠大腦已被證實是人類大腦十分可靠的替代對象。這些研究也提示我們，人類在睡眠中是如何鞏固記憶的，并且也會讓其他方向的研究更直接地關(guān)注突觸狀況。
當(dāng)然，這些研究這并不意味著，科學(xué)家能馬上發(fā)現(xiàn)促進記憶和認知形成的指導(dǎo)機制。她補充道：“這些都還只是冰山一角?！?/p>
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