科学家发现在睡眠中记忆固化可能与基因表达的变化有关

顾汉现

科学家发现在睡眠中记忆固化可能与基因表达的变化有关

科学时报

1896年2月17日，俄国化学家季米特里·门捷列夫在玩单人纸牌时打了一个盹。一觉醒来，他发现自己解决了化学元素如何可按一定的方式进行分组排列的问题。也许很多人都曾有过这样的经历，一觉醒来，昨天晚上还看似不能解决的问题突然间有了答案。这是为什么呢？睡眠是普遍存在于生命体的一种生理状态，科学家们正在努力寻找为何人们在早晨起来时更“聪明”和更“勤快”的原因。

为什么要睡觉？

在古希腊神话故事中，睡神与死神同是夜神的孪生子，经由身穿白衣的神手中的罂粟花枝扫过便可一夜好眠，若轮到身穿黑衣的死神来临便会永久长眠。科学家发现，相对于清醒的时刻，睡眠时的活动量减少、呼吸减缓、意识与外界隔离，但睡眠并不如我们想像的如此沉寂。

美国科学家内森·克莱特曼是现代睡眠研究之父，他将睡眠比作为汽车低速空转而引擎未静止时的状态，他说：“睡眠只是清醒状态的间歇性、暂时性休止或中断。”各物种的睡眠时间也不尽相同，比如一天中蝙蝠的睡眠时间可长达20小时，马却只需要3个小时，而人类的睡眠平均会占据生命中三分之一的时间，可是科学家们目前仍然不十分清楚睡眠的功能。有的学者认为睡眠可能具有修复、能量保存、躲避天敌、发展能力、行为固化与高等学习等五项功能。比如，躲避天敌的理论可印证许多动物的行为；发展能力则表现在婴儿需要通过睡眠来帮助自身发展、在睡眠中进行神经网络的连接等；而行为固化与高等的学习功能则是近年来的新发现，这是指一些平常没有办法演练的行为可能通过睡眠而实现。

1929年，德国精神病学医生Hans Berger通过头皮的电极记录即脑波来研究大脑在睡眠过程中的活动，至今脑电波图像仍然是睡眠的客观依据之一。后来科学家们将睡眠状态分为深睡的非快速眼动睡眠（non-rapid eye movement NREM）和浅睡的快速眼动睡眠REM两种状态，他们发现每一个睡眠循环由NREM和REM组成，一个晚上重复4～6次。深睡状态也称为短波睡眠，因为这一阶段脑波中的电波以短波形式出现。在深睡的NREM阶段，心跳减缓、血压下降，呼吸缓慢而浅，血氧量降低，肠胃运动与内分泌减缓，对养分与氧气的需求量和排泄物量均降低，身体动作减缓，几乎没有眼球运动。结束深睡阶段后会慢慢进入到浅睡的REM阶段，REM睡眠与NREM多方面相似，但REM时期呼吸、心跳、血压呈不规则，而脸部肌肉完全放松，眼球快速运动。男性和女性在这一阶段均有性觉醒的表现，REM阶段的脑波图像与清醒时的脑波相当类似，此时也是梦境发现的时刻。

睡眠中的“学习”

认知科学家将学习处理逻辑问题或提高音乐演奏技能的过程称之为“过程式学习”，意思是这一过程是学会如何做某件事而不是简单地积累事实。多少年来，研究人员一直在推测睡眠的重要功能之一是对“过程式学习”加强。但是到现在，科学家们才开始逐渐了解大脑承担这一功能的特别模式。加拿大彼得堡大学的研究人员通过正子放射断层扫描发现，睡眠中产生梦境的REM阶段中大脑活动图像与进行学习时的图像相似，由此推测睡眠中的REM时期是强化学习记忆的重要时刻。

但是，尽管有多年的研究，将浅睡的REM与过程式学习联系起来的证据是矛盾的和令人迷惑的，比如，服用过抗抑郁药的人其REM的时间会减少，但是他们的过程式记忆没有受到影响。极少数大脑受损伤，完全没有睡眠REM状态的人却显示出仍然拥有正常的过程式学习能力。因此，在过去几年中，研究人员又将过程式学习与深睡的NREM阶段联系在一起，并取得了一定的研究成效。

美国威斯康星大学精神病学家Giulio Tononi的研究提供的有力证据表明，睡眠中的深睡的NREM阶段与过程式学习有关，他的研究小组最近在《自然》杂志发表的论文首次将短波活动区域的局部变化与特殊任务的学习能力联系在一起。他们对256个志愿者的脑波试验表明，受试者在睡醒后能更好地完成前一个晚上难以完成的复杂电脑游戏，脑波记录表明这时大脑中与过程式学习相关区域的短波活动加剧。研究人员推测，这是因为在深睡状态神经细胞间的新联系开始形成并得到加强。

在短波睡眠期间，这种活动持续进行但会逐渐消失。Tononi认为短波活动的消失对过程式学习的加强是重要的，可能的原因是大脑清醒时有许多干扰学习过程的“噪音”。这种相关性激发了该领域其他研究人员的兴趣。德国吕贝克大学的神经内分泌学家Jan Born说，短波在局部发生变化这一现象令人震惊。他和同事计划重新分析他们以前有关学习的实验数据。哈佛医学院的精神病学家Robert Stickgold也有许多有关睡眠与学习能力的重要发现，他相信大脑履行复杂工作的能力在睡觉后会有所提高，因为在睡眠中大脑抓住了神经细胞间较弱的联系，并加强了这种联系。受到Tononi工作的鼓励，Stickgold和同事希望了解大脑在履行加强记忆和整合单个活动时究竟出现了什么变化。

与脑电波变化一样，睡眠期间记忆的固化可能也与基因表达的变化有关。Tononi的研究小组通过小鼠试验发现，睡眠期间大约有100个基因的表达水平在增加，其中已知部分基因与神经传递素化学物质的释放有关，脑细胞正是通过这些神经传递素来彼此交流的。Tononi说：“睡眠中神经细胞开始工作并建立彼此间的新联系。”这些发现与睡眠强化过程式记忆的理论相一致。在不同的睡眠期间，大脑中不同的神经传递素的水平是波动的。

要建立睡眠强化的学习能力与相关的基因表达、神经传递素机制和脑电活动模式变化间的精确联系，还需要科学家们对人类志愿者和实验动物做大量的研究。没有人相信不经过努力，睡眠的问题就会在一夜之间得以解决。但是，如果这个领域的研究人员坚持不懈地致力于通过复杂的实验来解释睡眠的功能，那么，门捷列夫的故事会再次发生：睡一会儿吧，答案就会出现。