睡眠在动物中是普遍存在的，但其具体功能尚不清楚。现在有观点认为睡眠的主要功能是允许单个神经元（ individual neuron）进行预防性的细胞维护（prophylactic cellular maintenance）。就像肌肉细胞在剧烈运动后必须休息以防止长期损伤一样，脑细胞在剧烈的突触活动后也必须休息。突触输入减少的时期即关闭时期（off periods）或下降状态（down states）对于这种维持是必要的，这反过来又需要一种全身同步（globally synchronized）的神经元活动状态，减少感觉输入和行为不动——众所周知的睡眠表现。
睡眠是生存必不可少的行为，并且睡眠时长和质量不佳都会影响第二天的精神状态，最直观的反应便是打盹，思维缓慢和反应力下降。除了能感受到的这些“副作用”，大脑对缺觉也会非常敏感。
或许我们会以为睡觉的时候身体是完全静息的，但实际上大脑中仍然开展着复杂的活动，这些活动主要帮助它从白天的繁杂工作中恢复过来，比如类淋巴系统会将干净的脑脊液冲进大脑，然后将白天累积的废物带走，减少毒性物质对神经细胞的损伤。
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而在近日《自然》杂志的一项研究中，来自伦敦大学学院的科学家发现，睡觉还有一个重要作用，那就是帮助大脑“重置”。在我们清醒的时候，大脑需要控制和协调各种输入信号，并且给出行动指令，这就意味着许多神经元之间会产生复杂的连接来实现信息传递。
这些连接并非没有代价，它们往往会消耗大量的能量。根据突触稳态假说，清醒期间的突触增加是不可能无限发生的，如果一直保持这种状态不仅不利于学习新的事物，从能量供给上也不可持续。而睡眠就是减少和断开突触的关键阶段，这种变化对于大脑中绝大多数的兴奋性突触都是存在的。
为了更清楚地观察睡眠时的神经元活动，作者选取了透明的斑马鱼作为模型。他们通过基因工程选择性地标记了斑马鱼的突触，使其更容易成像，并在24小时周期中观察突触活动变化。
研究通过开、关灯来调控斑马鱼的昼夜节律，由于斑马鱼是昼行动物，充满灯光时斑马鱼更加活跃。成像结果显示，白天的时候突触的数量会逐渐上升，而到了夜间突触数量又会减少，回落到更低的水平。根据作者对斑马鱼的神经元分型，研究定义的2型神经元突触平均在白天增加15.3个，夜间减少17.7个，4型神经元的突触平均白天增加8.5个，夜间减少8.2个。这种变化会让突触达到一个稳定、平衡的状态。
▲夜间睡觉时突触会减少（图片来源：参考资料[1]）
除此之外，研究还发现了两个关键特征，首先是这种突触平衡过程是否发生取决于睡眠压力有多大，通俗来说就是有多久没睡觉了。个体对睡眠的需求越强烈，睡眠时就会显著发生突触清除事件。反之如果睡眠需求不高，即使通过药物诱导睡眠状态，斑马鱼的突触数量非但不减少，还会缓慢增加。
“假如可以在人类中确认这种模式，那就说明午休短暂的休息对突触平衡没有太大作用，一定要在晚上睡眠需求高的时候睡一觉才行。”研究的通讯作者Jason Rihe教授表示。而另一个有趣的发现是，作者只在斑马鱼的夜间睡眠阶段的前半段观察到了突触清除现象，而在后半段则没有变化。
作者指出，这种突触清除有助于第二天产生新的突触连接，为学习新事物做好准备。而还有一些其他作用，比如细胞损伤修复或许会在后半段睡眠中完成，这需要未来更多研究解开其中的谜团。
参考资料：
[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