Science：全程監控神經元分析大腦如何入睡和清醒

　　維也納分子病理學研究所的科學家們利用線蟲來研究睡眠的基礎內容，他們檢測了大腦中的所有神經細胞在睡著和醒來的活動，在6月23日的Science上發表了開創性的成果。

　　睡眠是動物的一個普遍特征：每個神經系統似乎都有規律地經歷并要求放松狀態，在這種狀態下大腦的活動發生了劇烈的變化。睡眠是至關重要的，正如我們在日常生活中所經歷的那樣，但科學家們仍在爭論為什么會這樣。

　　在維也納分子病理學研究所，由神經生物學家Manuel Zimmer領導的團隊用秀麗隱桿線蟲研究了大腦如何清醒和睡眠之間轉換。他們的研究結果表明，在疲勞的動物中，睡眠是一個只要強大的外部環境刺激不存在，大腦就能自發地建立自己的基本狀態。

　　線蟲作為睡眠研究的模型

　　目前可以觀測到類似睡眠狀態的最原始生物是線蟲。線蟲被選為睡眠研究的模型，還因為它的神經系統只有302個神經元。這小得足夠能以高級顯微鏡的方法，在單細胞的精度訪問大腦中所有神經細胞的活動。這是監測大腦在清醒和睡眠之間時，獲得新見解的關鍵。

　　科學家面臨的另一個挑戰是控制線蟲何時入睡和醒來。博士生Annika Nichols和Tomá? Eichler建立了一個有趣的實驗系統，用可變氧濃度作為一個開關。線蟲生活在土壤中，在它們的自然棲息地，充足的微生物使氧氣含量保持在低水平。研究人員發現，在這些條件下，如果它們感到疲勞的話，它們會感到很舒適，可以入睡。Nichols和Eichler發現，大氣濃度氧含量的新鮮空氣對睡著的動物是個警報，能使它們很快醒來。Nichols說：“這打開了一扇門，以便在我們的實驗中有效地改變睡眠狀態和清醒狀態。”

　　疲勞的神經測量器

　　Nichols繼續記錄當觸發睡眠和清醒之間轉換的大腦中所有神經元的活動。她發現，在睡眠中，大多數在清醒時活躍的神經細胞變得沉默。然而，一些特定類型的神經細胞保持警覺。這些類型之一，被稱為RIS，先前的研究顯示它通過分泌睡眠物質促進睡眠。Nichols的發現表明：在清醒的、有入睡傾向的動物中，RIS活性已經升高，暗示它是衡量大腦疲勞程度的指標。

　　睡眠作為大腦的默認基態

　　當監測到睡眠時大腦的活動時，Nichols發現了一個有趣的發現：她的計算機分析表明，神經元網絡活動自發地匯集到一個安靜和穩定的狀態。最初，研究人員認為RIS的細胞會迫使神經系統平靜，就像一個指揮家讓樂隊在最后一個和弦后沉默。然而，新的數據表明RIS似乎更像是一個調解人，在所有參與者之間協議采取一致行動。這種情況的好處是，清醒和睡眠之間的急劇性變化可以通過巧妙地改變大腦的某些調節“旋鈕”來觸發。

　　盡管線蟲大腦和人腦之間存在著許多差異，但這些結果為研究腦組織的基本原理提供了一個很有前途的模型。