睡觉会给你的神经元浇冷水

文献：Torrado Pacheco A, Bottorff J, Gao Y, Turrigiano GG. Sleep Promotes Downward Firing Rate Homeostasis. Neuron. 2021 Feb;109(3):530-544.e6.

DOI：https://doi.org/10.1016/j.neuron.2020.11.001

作者：图图 | 封面：Diamonster

长久以来，我们能够健康地生活在地球上依赖的是强大的自身稳态调节，同样，我们的大脑也需要保持自己的稳定，对遗失的部分缝缝补补，而对过量的活动裁裁剪剪，最终达到一定的平衡，这也就是所谓的大脑稳态可塑性（Homeostatic plasticity）。正是这种稳态调节机制，大脑内的神经元活性才能够平衡地处于一个相对稳定的放电状态-神经元放电稳态（firing rate homeostasis，FRH）。

早在2016年，来自布兰迪斯大学的Gina Turrigiano实验室就讨论了FRH与睡眠和清醒状态的关系，他们提出清醒的状态会促进FRH，相反睡眠则会抑制它。然而一直以来，我们讨论的都只是上调的FRH（Upward FRH），那么是否也存在着下调的FRH（Downward FRH）也以类似的方式被睡眠觉醒状态控制着，从而维持着大脑稳态呢？

近日，Gina Turrigiano实验室又发表了一篇文章，阐述了睡眠可以促进下调FRH。首先，他们利用单眼视觉剥夺（monocular deprivation，MD）加上五天后睁眼（eye reopening，ER）的方式加强初级视皮层的神经活动，并同时在可以自由活动的大鼠中进行慢性电生理监控神经元的活动，他们发现ER后的24小时内，神经元活动急剧上升，但是接着就慢慢地恢复到MD之前的水平。那么这种现象属于我们常见的“赫布可塑性”（Hebbian plasticity）吗？它是否取决于N-甲基-D-天冬氨酸受体（N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR）的活动，亦或是被与NMDAR无关的稳态可塑性调节机制所控制？

研究者们利用药物NMDAR的拮抗剂CPP去抑制NMDAR的功能，他们发现ER期间注射CPP会有效地限制之前看到的ER后短期内神经元活动急剧上升现象。相反如果在ER24h之后注射CPP，则并没有对神经元的活动恢复造成任何影响。所以，他们认为ER造成神经元放电速率的增强，不仅仅源于增加的感觉输入，同时也受益于一个由NMDAR决定的可塑性调节过程。相反，随之而来的恢复阶段下调FRH，则并不依赖于NMDAR的活动，这与它可能被稳态可塑性调节机所驱控的猜想不谋而合。接着，他们更进一步确认了下调FRH确实与稳态可塑调节的突触缩水（synaptic scaling down）有关。

- Pacheco et al., Neuron -

然而，我们的大脑是在什么特定时期发生这种下调FRH呢？是否存在与我们熟知的上调FRH类似的机制？通过监测比较大鼠不同觉醒时段的神经元活性，他们注意到下调FRH仅仅存在于睡眠期，一旦剥夺稳态恢复期的睡眠，大鼠的下调FRH调节就更为缓慢。所以睡眠对大脑维持稳态的神经元活动下调功能至关重要。

总的来说，大脑会在生物体清醒时上调神经元活性，而在睡觉时下调活性，在不同的时期寄予当下最需要的调节机制，从而最大程度的维护大脑和机体的正常活动。