为什么人的一生中有三分之一的时间都在睡觉？为什么许多动物即使在面临捕食者威胁的情况下也要睡觉？关于睡眠如何有益于大脑一直是科学界的一个谜题。
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近日，加州大学旧金山分校和圣何塞州立大学的研究人员在Cell期刊发表了题为：Sleep is required to consolidate odor memory and remodel olfactory synapses的研究论文。
研究团队分析了秀丽隐杆线虫睡眠时神经元突触的行为，证实了睡眠是记忆巩固和突触重塑所必需的。这项工作还揭示了记忆所需的特定神经元及其连接是如何被气味训练和睡眠所调节的。
了解睡眠中的整体大脑状态如何促进特定记忆在专用回路中的巩固是生物学中最重要的挑战之一。如果有一个简单的、定义明确的回路，其依赖于睡眠来巩固，将有助于以细胞和突触的分辨率来解决这个问题。
包括人类在内的动物都需要睡眠来巩固记忆。动物往往具有有大而复杂的大脑，从果蝇的大约20万个神经元到人类的860亿个神经元不等。而模式动物秀丽隐杆线虫的神经系统很紧凑，只有302个神经元，许多单个神经元的功能已被确定，整个突触连接组也已被阐明。
因此，秀丽隐杆线虫提供了一个独特的机会来研究睡眠如何影响控制学习和记忆改变行为的单个神经元之间的联系。可以通过检查保存记忆的神经元和它们之间的特定连接来解决睡眠是如何影响记忆的。
之前的研究表明，动物睡觉的原因之一是帮助大脑巩固长期记忆。还有研究显示，这些记忆储存在大脑的突触中，而不是在神经元中。但目前对睡眠在细胞和突触水平上巩固长期记忆的功能的理解仍然不足。
在这项最新研究中，研究团队将重点放在模式动物秀丽隐杆线虫身上，因为模式动物秀丽隐杆线虫的大脑结构已经被绘制出来了，它们只有302个神经元。研究团队希望观察这些神经元在睡眠期间突触的变化。
但首先，他们必须找到一种方法来确定这些线虫在什么时候睡觉。通过对多个线虫的仔细研究，他们发现，线虫的睡眠可以通过某种身体姿势来识别。确定了这一点后，研究团队对线虫进行了学习记忆训练，让它们忽略丁酮的气味，而丁酮的气味通常对它们很有吸引力，他们通过多次去除与这种丁酮气味有关的食物来做到这一点。
然后，研究团队仔细观察了线虫的大脑，特别是一个叫做AWC的神经元，它与另一个叫做AIY的神经元通信。研究团队发现，训练线虫忽略丁酮气味会导致AWC和AIY神经元之间的突触减少。然后，研究团队训练其他线虫躲避丁酮的气味，但这次不允许它们睡眠。这一次，他们发现神经细胞之间的突触连接更紧密，他们还发现线虫不记得它们接受过的这些训练。
具体来说，该研究探索了秀丽隐杆线虫是否需要睡眠来巩固长期记忆。以前的研究已经阐明了丁酮化学感觉和嗅觉学习所需的神经元的身份。丁酮由AWCON感知，AWCON是两个AWC嗅觉神经元之一，主要与三对中间神经元AIYs、AIAs和AIBs形成突触。研究团队发现，嗅觉记忆依赖于训练后的ALA依赖的睡眠，如果睡眠在关键时期被机械干扰或食物中断，线虫将不会巩固记忆。
研究团队接下来证明，气味训练和训练后睡眠会改变丁酮嗅觉回路。AIB或AIY中间神经元都足以进行丁酮学习。然而，在睡眠之后，AIY对记忆巩固更重要。研究团队使用跨突触标记神经连接蛋白-1（NLG-1）GFP跨突触伙伴重构（GRASP）来可视化AWC化学感觉神经元和AIY中间神经元之间的突触。
结果显示，与对照组相比，经丁酮训练的线虫在训练16小时后AWC-AIY连接显著减少。而训练后立即中断睡眠可以消除这种突触减少。在训练后的前2小时，对照组和丁酮训练组线虫的突触数量减少，但在接下来的14小时内，丁酮训练组和对照组的AWC-AIY突触水平变得不同。
这些研究表明，在秀丽隐杆线虫这种简单的神经系统中，睡眠是气味记忆巩固和睡眠依赖的突触结构可塑性所必需的。这项工作还揭示了记忆所需的特定神经元及其连接是如何被气味训练和睡眠所调节的。
具有复杂神经系统的动物需要睡眠来巩固记忆和突触重塑。而这项研究表明，尽管秀丽隐杆线虫神经系统的神经元数量有限，但睡眠对巩固记忆和突触重塑这两个过程都是必要的。该研究在秀丽隐杆线虫中证实，气味训练和训练后的睡眠可以诱发长期记忆，也在这种活动物体中证明，训练后驱动记忆巩固和改变突触结构的事件需要睡眠。
