睡眠在動物中是普遍存在的，但其具體功能尚不清楚。現在有觀點認為睡眠的主要功能是允許單個神經元（ individual neuron）進行預防性的細胞維護（prophylactic cellular maintenance）。就像肌肉細胞在劇烈運動後必須休息以防止長期損傷一樣，腦細胞在劇烈的突觸活動後也必須休息。突觸輸入減少的時期即關閉時期（off periods）或下降狀态（down states）對于這種維持是必要的，這反過來又需要一種全身同步（globally synchronized）的神經元活動狀态，減少感覺輸入和行為不動——衆所周知的睡眠表現。
睡眠是生存必不可少的行為，并且睡眠時長和品質不佳都會影響第二天的精神狀态，最直覺的反應便是打盹，思維緩慢和反應力下降。除了能感受到的這些“副作用”，大腦對缺覺也會非常敏感。
或許我們會以為睡覺的時候身體是完全靜息的，但實際上大腦中仍然開展着複雜的活動，這些活動主要幫助它從白天的繁雜工作中恢複過來，比如類淋巴系統會将幹淨的腦脊液沖進大腦，然後将白天累積的廢物帶走，減少毒性物質對神經細胞的損傷。
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而在近日《自然》雜志的一項研究中，來自倫敦大學學院的科學家發現，睡覺還有一個重要作用，那就是幫助大腦“重置”。在我們清醒的時候，大腦需要控制和協調各種輸入信号，并且給出行動指令，這就意味着許多神經元之間會産生複雜的連接配接來實作資訊傳遞。
這些連接配接并非沒有代價，它們往往會消耗大量的能量。根據突觸穩态假說，清醒期間的突觸增加是不可能無限發生的，如果一直保持這種狀态不僅不利于學習新的事物，從能量供給上也不可持續。而睡眠就是減少和斷開突觸的關鍵階段，這種變化對于大腦中絕大多數的興奮性突觸都是存在的。
為了更清楚地觀察睡眠時的神經元活動，作者選取了透明的斑馬魚作為模型。他們通過基因工程選擇性地标記了斑馬魚的突觸，使其更容易成像，并在24小時周期中觀察突觸活動變化。
研究通過開、關燈來調控斑馬魚的晝夜節律，由于斑馬魚是晝行動物，充滿燈光時斑馬魚更加活躍。成像結果顯示，白天的時候突觸的數量會逐漸上升，而到了夜間突觸數量又會減少，回落到更低的水準。根據作者對斑馬魚的神經元分型，研究定義的2型神經元突觸平均在白天增加15.3個，夜間減少17.7個，4型神經元的突觸平均白天增加8.5個，夜間減少8.2個。這種變化會讓突觸達到一個穩定、平衡的狀态。
▲夜間睡覺時突觸會減少（圖檔來源：參考資料[1]）
除此之外，研究還發現了兩個關鍵特征，首先是這種突觸平衡過程是否發生取決于睡眠壓力有多大，通俗來說就是有多久沒睡覺了。個體對睡眠的需求越強烈，睡眠時就會顯著發生突觸清除事件。反之如果睡眠需求不高，即使通過藥物誘導睡眠狀态，斑馬魚的突觸數量非但不減少，還會緩慢增加。
“假如可以在人類中确認這種模式，那就說明午休短暫的休息對突觸平衡沒有太大作用，一定要在晚上睡眠需求高的時候睡一覺才行。”研究的通訊作者Jason Rihe教授表示。而另一個有趣的發現是，作者隻在斑馬魚的夜間睡眠階段的前半段觀察到了突觸清除現象，而在後半段則沒有變化。
作者指出，這種突觸清除有助于第二天産生新的突觸連接配接，為學習新事物做好準備。而還有一些其他作用，比如細胞損傷修複或許會在後半段睡眠中完成，這需要未來更多研究解開其中的謎團。
參考資料：
[1] Jason Rihel, Sleep pressure modulates single-neuron synapse number in zebrafish, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07367-3
[2] Scientists say sleep resets brain connections—but only for first few hours. Retrieved May 7, 2024 from https://medicalxpress.com/news/2024-05-scientists-resets-brain-hours.html