睡眠可以增加大腦的可塑性,科學家從果蠅的研究中驗證了這個事實

2020-12-04 寰宇科學新觀察

我們知道,當遠古人類和動物們在陷入睡眠的時候,它們就沒法察覺周圍的危險,很有可能會被天敵捕食。問題來了,為什麼人和動物寧可冒著被吃掉的風險,也要睡覺?為什麼幾億年來自然界幾乎沒有進化出不用睡覺的動物?

事實上,睡眠對於動物的生存來說是至關重要的。就像如果不能進食動物們就無法生存一樣,如果不能睡覺,它們也同樣無法生存。如果不能得到充足的睡眠,動物的機體就沒法休息,無法有序地進行新陳代謝,大腦皮層的神經元也沒法進行有效的信息整理。

總而言之,睡眠對人類和動物來說,都是必須的。最近發表在《科學進展》(Science Advances)雜誌上的一項新研究,再次強調了睡眠對大腦的意義——進行這項研究的科學家認為,睡眠是一種進化工具,增加大腦的可塑性,幫助動物去適應具有挑戰性的新環境。在這項研究中,來自美國聖路易斯華盛頓大學醫學院的研究人員,剝奪了果蠅的飛行能力後,他們發現這些果蠅是通過睡眠來適應無飛狀態的。

「我們知道睡眠與創造力和洞察力有關,」神經科學教授保羅·肖博士(Paul Shaw)說:「你有沒有在睡前思考過一個問題,當你醒來時,你突然找到了答案?如果你發現自己身處一個危險的環境中,或者處於一種不知如何應對的境地,睡眠可能可以幫助你度過難關。」

果蠅的睡眠看起來很像人的睡眠。小果蠅需要大量睡眠,但隨著年齡的增長,它們對睡眠的需求減少。果蠅攝入咖啡因後會變得更警覺,而攝入抗組胺藥後則昏昏欲睡。如果有一天你讓一隻蒼蠅保持了很長時間的清醒,它會在第二天睡得更多。這些相似之處表明,果蠅的睡眠習慣可能揭示了人們的睡眠習慣。為了探索具有挑戰性的環境與睡眠之間的關係,肖和他的同事克裡希納·梅爾納圖爾(Krishna Melnattur)博士剝奪了果蠅的飛行能力。

幼蠅從蛹殼中出來後的前半小時左右,必須展開翅膀,否則它們的翅膀會發育不好。研究人員把一些新生的果蠅放在小容器裡,這樣它們就無法展開翅膀,他們還對另一組果蠅進行了基因改造,使這些昆蟲的翅膀無法展開。這兩種情況都將使新生的果蠅永遠無法飛行。此外,研究人員還剪掉了第三組蒼蠅的翅膀,使其無法飛行。實驗結果表明,在所有情況下,面對無法飛行的情況,這些動物都比平時睡得多。

在隨後的實驗中,研究人員追蹤了神經迴路,該迴路向大腦發出信號,表明當翅膀不起作用的時候,神經迴路觸發了更多睡眠的衝動。梅爾納圖爾博士說:「當我們鑑定出被切下翅膀的成年果蠅的被激活的神經元時,我們發現這些神經元與其他兩組幼年果蠅的神經元是相同的。」

研究人員說,從進化的角度來看,翅膀損傷和翅膀發育受阻通過相同的神經迴路與睡眠聯繫在一起是有意義的。這種迴路在幼小的蒼蠅中很活躍,因為它們發育中的大腦需要睡眠,因為動物會展開翅膀,學會飛行,並開始在周圍的世界中導航。

肖博士認為:「當一些事情迫使成年蒼蠅適應一種新的常態時,整個電路可以在以後的生活中重新啟動。突然間,它的大腦需要像年幼時一樣靈活。它不能再飛了,但它仍然需要食物,它需要競爭配偶,它需要避免死亡,因此它們必須重新去適應環境。我們認為睡眠能增強蒼蠅生存所需的大腦可塑性。」

人們的睡眠時間差異很大。有些人每晚只需要睡五個小時;有些人則需要九個小時。睡眠是一個古老的過程,我們已經進化出改變睡眠-覺醒平衡的機制,來幫助我們滿足我們適應新環境的需要。但是如果這些機制被不適當地激活,比如說被一個引發創傷後應激障礙的創傷事件激活,它會造成你睡得太多或太少,不再符合你的需要的情況,然後你就會出現睡眠障礙。

回到開頭的問題,為什麼人和動物寧可冒著被吃掉的風險,也要睡覺?因為在萬物競爭的自然界,遠古人類和動物們經常需要面對新的環境或新的常態,它們必須通過睡覺來增加大腦的可塑性,進而適應這一切。

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