发布时间:2017-06-27 17:51 原文链接: Science:全程监控神经元分析大脑如何入睡和清醒

  维也纳分子病理学研究所科学家们利用线虫来研究睡眠的基础内容,他们检测了大脑中的所有神经细胞在睡着和醒来的活动,在6月23日的Science上发表了开创性的成果。

  睡眠是动物的一个普遍特征:每个神经系统似乎都有规律地经历并要求放松状态,在这种状态下大脑的活动发生了剧烈的变化。睡眠是至关重要的,正如我们在日常生活中所经历的那样,但科学家们仍在争论为什么会这样。

  在维也纳分子病理学研究所,由神经生物学家Manuel Zimmer领导的团队用秀丽隐杆线虫研究了大脑如何清醒和睡眠之间转换。他们的研究结果表明,在疲劳的动物中,睡眠是一个只要强大的外部环境刺激不存在,大脑就能自发地建立自己的基本状态。

  线虫作为睡眠研究的模型

  目前可以观测到类似睡眠状态的最原始生物是线虫。线虫被选为睡眠研究的模型,还因为它的神经系统只有302个神经元。这小得足够能以高级显微镜的方法,在单细胞的精度访问大脑中所有神经细胞的活动。这是监测大脑在清醒和睡眠之间时,获得新见解的关键。

  科学家面临的另一个挑战是控制线虫何时入睡和醒来。博士生Annika Nichols和Tomáš Eichler建立了一个有趣的实验系统,用可变氧浓度作为一个开关。线虫生活在土壤中,在它们的自然栖息地,充足的微生物使氧气含量保持在低水平。研究人员发现,在这些条件下,如果它们感到疲劳的话,它们会感到很舒适,可以入睡。Nichols和Eichler发现,大气浓度氧含量的新鲜空气对睡着的动物是个警报,能使它们很快醒来。Nichols说:“这打开了一扇门,以便在我们的实验中有效地改变睡眠状态和清醒状态。”

  疲劳的神经测量器

  Nichols继续记录当触发睡眠和清醒之间转换的大脑中所有神经元的活动。她发现,在睡眠中,大多数在清醒时活跃的神经细胞变得沉默。然而,一些特定类型的神经细胞保持警觉。这些类型之一,被称为RIS,先前的研究显示它通过分泌睡眠物质促进睡眠。Nichols的发现表明:在清醒的、有入睡倾向的动物中,RIS活性已经升高,暗示它是衡量大脑疲劳程度的指标。

  睡眠作为大脑的默认基态

  当监测到睡眠时大脑的活动时,Nichols发现了一个有趣的发现:她的计算机分析表明,神经元网络活动自发地汇集到一个安静和稳定的状态。最初,研究人员认为RIS的细胞会迫使神经系统平静,就像一个指挥家让乐队在最后一个和弦后沉默。然而,新的数据表明RIS似乎更像是一个调解人,在所有参与者之间协议采取一致行动。这种情况的好处是,清醒和睡眠之间的急剧性变化可以通过巧妙地改变大脑的某些调节“旋钮”来触发。

  尽管线虫大脑和人脑之间存在着许多差异,但这些结果为研究脑组织基本原理提供了一个很有前途的模型。

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