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睡觉是大部分人每天都要做的一件事,也是几乎所有动物生命中不可缺少的一部分。对于我们来说,充足的睡眠是大脑提高学习效率、增强记忆的基础。但即便对于头脑十分简单的生物,例如全身只有302个神经元的透明小蠕虫——线虫,它们也需要及时睡一觉才能记住重要的生活经验。
最近,科学家们通过巧妙设计的实验,在线虫身上揭示了及时睡觉才能帮助记忆巩固。他们的研究结果发表在顶尖学术期刊《细胞》上,为我们理解记忆的基本机制提供新的洞见。
绝大多数人或许根本就不会注意到这种只有1厘米长、没有肢体的小蠕虫也需要睡觉。加州大学旧金山分校(UCSF)的Noelle L'Etoile教授和她的同事观察了数百条线虫,通过分析视频中线虫的运动、姿势、进食状态,寻找它们睡眠的迹象。
根据研究人员的描述,线虫的睡眠时间虽然不长,但可以看到它们在此期间基本静止不动,身体变直,只有头部有一点弯曲,不容易被闪光或震动唤醒,进食量减少但不是完全不吃。
接着,研究人员测试了线虫的记忆力,让它们通过学习记住要避开某种特定的气味。化合物丁酮(butanone)的气味通常对于线虫来说代表自然界中的食物香气,但研究人员通过多次重复的间隔训练,让它们每次闻到丁酮时都没有吃的、有食物时都没有丁酮气味,实验室里的线虫就能学会避开丁酮气味。
在这个过程中,有趣的事情发生了。研究人员观察到,训练结束后,线虫会在1~2小时内很快进入睡眠状态,而这些线虫也会很顺利地“学会”新任务,在此后的16个小时内都记得要避开丁酮的气味。
但是,如果不让线虫在训练后的1~2小时内睡觉(每隔几分钟就把它们晃醒),结果这些线虫的记性就变差了,训练后16小时再去测试,发现它们已经不记得要避开丁酮的气味。而随着睡眠的增加,记忆衰减的情况会缓解。
“当气味成为一种巩固的记忆时,睡眠是必需的。”L'Etoile教授说,“这些结果表明,线虫在训练后的1-2小时里有个关键的睡眠窗口,它们在此期间巩固自己的记忆。”
借助线虫透明的身体和已经被研究得很清晰的神经系统,研究人员进一步分析了在睡眠巩固记忆的过程中,神经元之间的突触连接如何变化,因为突触的可塑性正是记忆的基础。
研究人员发现,线虫有专门的嗅觉神经元(被称为AWC)负责检测丁酮气味,它与另一对中间神经元(名为AIY)形成突触,它们之间的连接参与了气味记忆的维持。其中,AIY是保持长期记忆必需的,缺少这对神经元的线虫在训练后记忆很快消失。
成像技术显示,当线虫学会避免丁酮气味,AWC神经元与AIY神经元之间的突触连接数量会减少。而突触连接的物理改变既需要训练,也离不开睡眠。如果线虫训练后的2小时内没能睡觉,AWC与AIY之间的突触重塑就难以完成。
这些结果都说明,在学习新的经验后,动物需要及时睡个好觉,才能驱动记忆巩固并改变突触结构。作为生物学研究中的经典模式生物,线虫中的许多发现,对于人类也有一定的借鉴意义。伴随衰老,人的记忆力会发生明显衰退,这或许也跟人越来越缺觉有一定的联系。
题图来源:123RF
参考资料:
[1] Rashmi Chandra et al., (2023) Sleep is required to consolidate odor memory and remodel olfactory synapses. Cell Doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.05.006
[2] Sleep loss impairs memory of smells, worm research shows. Retrieved June 25, 2023 from https://www.nature.com/articles/d41586-023-01849-6
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