筑波大学国际综合睡眠医学科学研究机构的史萧逸助教、饭野祐介研究员等人的研究团队宣布与东京大学国际高等研究所神经智能国际研究机构的河西春郎特任教授、理化学研究所脑神经科学研究中心团队负责人丰泉太郎等人合作，开发出了增强突触连接强度的新型分子工具“SYNCit-K”用于研究维持睡眠的量与质保持一定的机制，并构建了预测突触强度与大脑活动关系的数理模型“EIN模型”。研究团队将该工具应用于小鼠前额叶，发现当睡眠被诱导或突触连接的增强受到抑制时，深度睡眠无法实现，且这种突触强度的增强会在随后的睡眠中恢复到原来水平。这一发现将有助于开发改善睡眠质量的治疗方法。相关研究成果已于9月26日发表在国际学术期刊《Science》上。
图 本研究的实验概要图。
研究发现，当在额叶兴奋性神经元中表达SYNCit-K以增强突触强度时会诱发睡眠，睡眠期间的δ波功率也会增强。※图片由BioRender.com制作（供图：筑波大学）
众多生物在睡眠连续不足时，睡眠的要求会增加，这样便可保持睡眠的量和质相对恒定。
已有研究表明，睡眠不足的小鼠和携带睡眠加深基因突变的小鼠，其神经细胞的连接处——突触蛋白质的状态发生了变化。突触的传导效率（突触强度）具有在学习等过程中增强的突触可塑性，而作为主要信息传递物质的谷氨酸能够激活突触受体细胞。受体细胞具有树突棘（spine），其大小与突触强度成正比。大脑皮层的树突棘强度及大小与睡眠需求相关。另一方面，突触强度的变化是由睡眠引起的，还是突触强度的变化控制了睡眠，这一点此前并不清楚。
为解决这一问题，研究团队开发了一种用于诱导突触增加和树突棘增大的新型分子工具“SYNCit-K”，通过应用化学诱导的蛋白质二聚体化现象，使酶Karilin7聚集在树突棘上，从而引起突触增强和树突棘增大。
研究人员将该工具应用于小鼠个体，增强了额叶的兴奋性神经细胞的突触，结果发现，小鼠睡眠的量增加，显示睡眠深度的脑电波“δ波功率”（值越高意味着睡眠越深）也增强。
此外，研究还证实，增强的突触强度会在随后的睡眠中恢复到原来的水平。而且当突触增强所需的关键酶被抑制时，缺乏睡眠导致的“δ波功率”上升也消失了。
研究团队创建了描述大脑皮层神经细胞群活动的数理模型“EIN模型”，并研究了突触强度变化对神经细胞群活动的影响。
结果表明，增强突触连接时，神经细胞表现出了类似睡眠的放电模式，并使脑电波的“δ波功率”增加。这一结果与培养神经细胞及小鼠的实验结果相一致。
史萧逸助教表示：“近年来，有关睡眠的研究取得了令人瞩目的进展，‘生物为什么会睡觉’这个古老的谜团或将在本世纪解开。我们的研究集合了数学、分子生物学和睡眠学的专家，提出了‘睡眠是为了调节神经细胞之间的连接’这一有力的答案。未来，随着这个答案在全球范围内的验证，有望进一步解开睡眠之谜，敬请期待。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Science
论文：Prefrontal synaptic regulation of homeostatic sleep pressure revealed via synaptic chemogenetics
DOI:10.1126/science.adl3043
