築波大學國際綜合睡眠醫學科學研究機構的史蕭逸助教、飯野祐介研究員等人的研究團隊宣佈與東京大學國際高等研究所神經智慧國際研究機構的河西春郎特任教授、理化學研究所腦神經科學研究中心團隊負責人豐泉太郎等人合作，開發出了強化突觸連接強度的新型分子工具「SYNCit-K」用於研究維持睡眠的量與質保持一定的機制，並構建了預測突觸強度與大腦活動關係的數理模式「EIN模式」。研究團隊將該工具應用於小鼠前額葉，發現當睡眠被誘導或突觸連接的強化受到抑制時，深度睡眠無法實施，且這種突觸強度的強化會在隨後的睡眠中恢復到原來水平。這一發現將有助於開發改善睡眠質量的冶癒方法。相關研究成果已於9月26日發表在國際學術期刊《Science》上。
圖 本研究的實驗概要圖。
研究發現，當在額葉興奮性神經元中表達SYNCit-K以強化突觸強度時會誘發睡眠，睡眠期間的δ波功率也會強化。※圖片由BioRender.com製作（供圖：築波大學）
衆多生物在睡眠連續不足時，睡眠的要求會增加，這樣便可保持睡眠的量和質相對恆定。
已有研究表明，睡眠不足的小鼠和攜帶睡眠加深基因突變的小鼠，其神經細胞的連接處——突觸蛋白質的狀態發生了變化。突觸的傳導效率（突觸強度）具有在學習等程序中強化的突觸可塑性，而作爲主要資訊傳遞物質的麩胺酸能夠激活突觸受體細胞。受體細胞具有樹突棘（spine），其大小與突觸強度成正比。大腦皮層的樹突棘強度及大小與睡眠需求相關。另一方面，突觸強度的變化是由睡眠引起的，還是突觸強度的變化控制了睡眠，這一點此前並不清楚。
爲解決這一問題，研究團隊開發了一種用於誘導突觸增加和樹突棘增大的新型分子工具「SYNCit-K」，透過應用化學誘導的蛋白質二聚體化現象，使酶Karilin7聚集在樹突棘上，從而引起突觸強化和樹突棘增大。
研究人員將該工具應用於小鼠個體，強化了額葉的興奮性神經細胞的突觸，結果發現，小鼠睡眠的量增加，顯示睡眠深度的腦電波「δ波功率」（值越高意味着睡眠越深）也強化。
此外，研究還證實，強化的突觸強度會在隨後的睡眠中恢復到原來的水平。而且當突觸強化所需的關鍵酶被抑制時，缺乏睡眠導致的「δ波功率」擧升也消失了。
研究團隊建立了描述大腦皮層神經細胞羣活動的數理模式「EIN模式」，並研究了突觸強度變化對神經細胞羣活動的影響。
結果表明，強化突觸連接時，神經細胞表現出了類似睡眠的放電模式，並使腦電波的「δ波功率」增加。這一結果與培養神經細胞及小鼠的實驗結果相一致。
史蕭逸助教表示：「近年來，有關睡眠的研究取得了令人矚目的進展，‘生物爲什麼會睡覺’這個古老的謎團或將在本世紀解開。我們的研究集合了數學、分子生物學和睡眠學的專家，提出了‘睡眠是爲了調節神經細胞之間的連接’這一有力的答案。未來，隨着這個答案在全球範圍内的驗證，有望進一步解開睡眠之謎，敬請期待。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Science
論文：Prefrontal synaptic regulation of homeostatic sleep pressure revealed via synaptic chemogenetics
DOI:10.1126/science.adl3043
