【eLIFE】当时你失眠时大脑里发生了什么

【导语】众所周知，睡眠的缺失或不足会严重影响我们的日常生活与工作，其中一个典型的表现为：记忆力的衰退。早期的研究指出，记忆的存储是通过神经元之间突触连接的结构性变化来实现的，那么，在睡眠缺失情况下，突触连接结构是通过什么方式的改变导致记忆衰退的，至今仍是未解之谜。最新研究有望揭示这一谜底。

2016年8月24日在线发表在《eLIFE》上的一篇文章《Sleep deprivation causes memory deficits by negatively impacting neuronal connectivity in hippocampal area CA1》通过小鼠上的实验数据，首次揭示了海马CA1区锥体细胞树突长度和树突棘(spine)密度的变化与记忆的衰退有关。此外，丝切蛋白(cofilin)的活性在锥体细胞树突结构变化过程中扮演着非常重要的调节作用。

该论文的第一作者和通讯作者是来自美国宾夕法尼亚大学的博士后Robbert Havekes。实验动物是雄性小鼠(年龄：2-3个月)。首先，研究人员让小鼠处于5个小时的睡眠剥夺状态，如：敲击或晃动笼子。然后记录CA1区锥体细胞树突形态的变化。如下图A所示，NSD表示没有剥夺睡眠(non-sleep deprived)，SD表示剥夺睡眠(sleep deprived)，成像结果显示：睡眠剥夺后树突的结构发生了显著的变化。B和C图分别对应spine密度的变化和树突长度的变化，结果表明：睡眠剥夺后锥体细胞树突上spine密度和树突长度均显著的减少。D图是比较了两组不同的成像数据，显示了变化的一致性。F图给出的是整个树突结构中不同部位的变化情况，均出现了显著的减少。G图是离胞体不同远近位置处，spine密度的变化。F图是不同树突分支上spine密度的变化。

这组结果表明：睡眠的缺失会导致CA1锥体细胞树突上spine密度和树突长度的显著减少。

研究人员进一步发现，树突上的这种减少现象是可以恢复的。实验中，让被剥夺睡眠的小鼠重新得到3个小时的睡眠，然后再做实验记录。实验数据如下图所示，当小鼠得到3个小时的睡眠恢复后，锥体细胞树突上spine的密度和树突长度与正常时相比，并没有显著的改变，下图中RS表示睡眠恢复(recovery sleep)。

进一步的生化实验显示，锥体细胞树突上的这种变化与海马体内丝切蛋白(cofilin)的活性有密切的关系。如下图A所示，睡眠的剥夺会导致cofilin活性的显著降低。B图是加药试验示意图。C图亮色部分显示的是药物所作用到的海马内区域。D和F的结果显示了，当加入药物使海马内cofilin的活性升高后，树突上spine密度和树突长度在睡眠剥夺前后就没有显著的变化了。这组结果说明，睡眠的缺失会降低海马内cofilin的活性，进而导致锥体细胞树突结构的变化，从而引起记忆的衰退。

下图是对整篇文章主要结果的总结，相比于正常期海马中神经元的活动情况，睡眠的缺失会引起PDE4A5蛋白水平的升高，进而降低cAMP浓度和PKA-LIMK信号通路的活性，然后导致cofilin磷酸化作用的降低，这种降低会使得树突上spine密度和树突长度发生减少，从而影响神经元之间突触连接的强度，最终使得记忆信息无法有效存储，导致记忆力的下降。

睡眠在人和动物的日常生活中扮演着非常重要的作用，如何理解睡眠的作用机制以及有效地调控睡眠一直是脑科学研究人员所关注的热点领域。本文中介绍的这篇研究首次在小鼠身上揭示了，在睡眠缺失情况下，海马CA1区锥体细胞树突结构的变化与记忆力的下降密切相关。此外，通过调节海马体内cofilin的活性可以有效地调控锥体细胞树突结构的变化。这一成果为我们理解为什么睡眠不足会导致记忆衰退提供了神经科学的依据。

（编译：中国传媒大学 脑科学与智能媒体研究院 汪雷）

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