Science子刊:我们为什么要睡觉?定量分析揭示了成长过程中睡眠的功能转变!

2020
09/25

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王木木 / 生物探索
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睡眠的主要功能会在约2岁半时发生变化,由神经重组及学习转为功能修复和垃圾清除。


人的一生中约有三分之一的时间在睡觉,对于任何一种动物来说,睡眠都是其生存所必须的过程。有研究表明,动物在醒着的时候会受到一定程度的神经系统损害,由此产生的受损基因和蛋白质,会在脑部堆积并引起疾病,而睡眠有助于修复这种损害并清除这些垃圾。

也有研究发现,睡眠可以促进与学习和记忆巩固相关的神经塑性重组及突触的生长。但目前人们对于神经修复和重组在睡眠期间的相对作用,以及其在个体发育过程中是否会发生变化仍不清楚。

近日,由英国帝国理工大学、美国加利福尼亚大学以及德克萨斯大学的研究人员组成的研究团队在《Science Advances》上发表了题为Unraveling why we sleep: Quantitative analysis reveals abrupt transition from neural reorganization to repair in early development的研究成果,揭示了个体系统发育过程中睡眠的变化,发现神经塑性重组主要发生在快速眼动睡眠(REM)中,而睡眠的主要功能会在约2岁半时发生变化,由神经重组及学习转为功能修复和垃圾清除。

DOI: 10.1126/sciadv.aba0398

研究人员利用来自60多项包括人类和其他哺乳动物的睡眠研究的数据,进行了迄今为止最全面的睡眠统计分析。检查了个体从出生到成年整个发育过程中的睡眠数据,包括总睡眠时间,REM睡眠时间,大脑大小、体重,脑代谢率、身体代谢率和睡眠代谢率(SMR),以及个体发育数据等,并建立了独特的定量理论和数学模型来分析突触密度、睡眠时间、大脑大小与脑代谢率之间的联系,解释个体发育中睡眠如何随大脑和体重变化而变化。

发育早期的不同睡眠时间比例

发育后期的不同睡眠时间比例

数据分析发现,REM睡眠会随着大脑的增大而减少。新生儿的睡眠时间中有50%为REM睡眠,但到10岁时其占比会下降到25%左右,且随着年龄的增长而持续减少。50岁以上的成年人的REM睡眠时间仅占15%。REM睡眠时间的减少大概是从2岁半开始发生的。而且当所有物种达到相当于人类约两岁半的年龄时,其REM睡眠时间也会开始急剧下降,无论是小鼠、兔子还是猪。

功能转化前的脑代谢及与脑质量和年龄的关系

REM睡眠占比的显著下降,也代表睡眠功能正在发生重大的变化。研究发现2岁半前的睡眠主要功能是进行大脑的构建、神经重组和学习,而2岁半后,睡眠的主要功能逐渐转化为大脑的维护和修复,即神经系统损害的功能修复和代谢物等垃圾的清除。且后期几乎所有的大脑修复都是在睡眠中进行的。

睡眠功能从重组到修复的转变

该研究的作者Gina Poe说,对于大多数成年人来说,每晚七个半小时的睡眠是正常且需要的,婴儿和儿童需要更多甚于两倍的睡眠。长期缺乏睡眠可能会导致产生痴呆症、糖尿病和肥胖症等健康问题,而睡个好觉,是免费的良药。

参考资料:

[1] Unraveling why we sleep: Quantitative analysis reveals abrupt transition from neural reorganization to repair in early development.


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关键词:
睡眠,时间,大脑

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