魚(yú)是怎么睡覺(jué)的？

 

斯坦福大學(xué)醫學(xué)院（Stanford University School of Medicine）睡眠科學(xué)家對這個(gè)問(wèn)題的回答登上了最新一期《自然》雜志的封面。

 

 

在一種水族館里常見(jiàn)的小魚(yú)——斑馬魚(yú)中，研究人員利用分子生物學(xué)工具和先進(jìn)的成像技術(shù)，記錄到了魚(yú)在睡覺(jué)時(shí)的神經(jīng)信號模式，并且發(fā)現，這種模式和我們人類(lèi)以及其他哺乳動(dòng)物、鳥(niǎo)類(lèi)等陸生動(dòng)物的大腦活動(dòng)非常相似！這表明，我們現有的“睡眠模式可能在至少4.5億年前就出現在了脊椎動(dòng)物的大腦中”，研究人員介紹。

 

 

100多年前，法國科學(xué)家Henri Pieron就把睡眠作為一種動(dòng)物界普遍的生理現象進(jìn)行研究。人們觀(guān)察動(dòng)物的行為發(fā)現，魚(yú)和其他飛鳥(niǎo)走獸一樣會(huì )睡覺(jué)。它們睡覺(jué)時(shí)不太動(dòng)，有特定的姿勢，全身反應降低，有周期性，種種狀態(tài)都和我們睡覺(jué)時(shí)很像（除了不閉眼睛）。

 

隨著(zhù)現代睡眠科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家找到了定義睡眠更可靠的電生理標志：特征性的慢波睡眠和快速眼動(dòng)（REM）睡眠。我們在入睡后會(huì )經(jīng)歷數個(gè)睡眠周期，每個(gè)睡眠周期中慢波睡眠和REM睡眠交替。這樣的睡眠模式同樣存在于其他哺乳動(dòng)物、鳥(niǎo)類(lèi)和爬行動(dòng)物中。

 

但是，作為在進(jìn)化道路上和我們分開(kāi)得更早的動(dòng)物，魚(yú)類(lèi)的睡眠狀態(tài)是怎么樣的？過(guò)去沒(méi)有合適的方法，答案無(wú)人知曉。

 

▲脊椎動(dòng)物中，魚(yú)類(lèi)的物種數量最多，然而迄今對魚(yú)類(lèi)的睡眠只有行為描述，沒(méi)有神經(jīng)特征的描述（圖片來(lái)源：參考資料[3]）

 

為了研究斑馬魚(yú)的睡眠，Louis Leung博士及其同事搭建了一套熒光光板顯微鏡，能夠以單細胞分辨率對整條魚(yú)成像。與此同時(shí)，他們對斑馬魚(yú)進(jìn)行了基因改造，讓魚(yú)的神經(jīng)元在活躍時(shí)會(huì )通過(guò)鈣離子的變化發(fā)出熒光。

 

然后，研究人員讓2周大的小魚(yú)睡在可以起到固定作用的“床”——瓊脂中。由于幼年的斑馬魚(yú)全身透明，科學(xué)家可以不用植入電極，直接通過(guò)顯微鏡清楚地觀(guān)察細胞的熒光變化，從而了解哪些區域的神經(jīng)處于活躍狀態(tài)，記錄它們的腦活動(dòng)。

 

研究團隊還開(kāi)發(fā)了一套基于熒光的多導睡眠圖，可以同時(shí)觀(guān)察魚(yú)睡著(zhù)時(shí)的心率、眼球運動(dòng)和肌肉張力，看到它們睡眠時(shí)“保持靜止，肌肉放松，心肺節律減慢，當被接近時(shí)沒(méi)有什么反應”，這些狀態(tài)都和陸地脊椎動(dòng)物相似，通訊作者Philippe Mourrain教授介紹。

 

▲本研究的測量方法示意圖（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

 

借助這些測量方法，研究人員很快看到神經(jīng)元的活躍模式，有類(lèi)似于人類(lèi)慢波睡眠和REM睡眠的兩種狀態(tài)，并且在兩者之間循環(huán)。他們將觀(guān)察到的這兩種睡眠狀態(tài)命名為慢爆發(fā)睡眠（slow-bursting）和傳播波睡眠（propagating wave sleep）。（魚(yú)在睡覺(jué)時(shí)非但不閉眼，眼球還不動(dòng)，自然不能叫快速眼動(dòng)睡眠了。）

 

為了確認這些活動(dòng)模式是真正的睡眠，研究人員事先想辦法阻止魚(yú)睡覺(jué)，造成它們缺覺(jué)。隨后，當困倦的小魚(yú)接受測量時(shí)，特定的神經(jīng)活動(dòng)模式果然立刻出現——它們很快睡著(zhù)了。而與之對比，斑馬清醒時(shí)，大腦的信號非常嘈雜，神經(jīng)元混亂地閃爍，Leung博士補充說(shuō)。

 

▲經(jīng)歷睡眠剝奪后，缺覺(jué)的魚(yú)很快進(jìn)入睡眠狀態(tài)，神經(jīng)元發(fā)放同步化（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

 

睡眠的重要性讓這項研究引起了很多科學(xué)家的關(guān)注。

 

“睡眠是個(gè)巨大的謎題，”研究果蠅睡眠的生物學(xué)家William Joiner教授沒(méi)有參與這項研究，他說(shuō)很多研究想弄清楚我們?yōu)槭裁匆X(jué)，“但人們還沒(méi)有找到一個(gè)很好的答案?！濒~(yú)類(lèi)與哺乳動(dòng)物擁有相似的睡眠模式，或許可以為我們在進(jìn)化上提供線(xiàn)索，幫助我們更好地理解睡眠的生物學(xué)功能。

 

而另一位睡眠科學(xué)家Jerry Siege對研究結果有不同意見(jiàn)，似乎也有道理：這些睡眠特征是在幼魚(yú)中發(fā)現的，成魚(yú)是不是這樣還不好說(shuō)。畢竟，我們成人就不再擁有“嬰兒般的睡眠”。

 

（圖片來(lái)源：pixabay）

 

不管怎樣，這項研究的新技術(shù)不僅提供了“眼見(jiàn)為實(shí)”的魚(yú)類(lèi)睡眠證據，也意味著(zhù)斑馬魚(yú)可以在睡眠研究中為開(kāi)發(fā)睡眠相關(guān)藥物提供幫助。因為“本質(zhì)上魚(yú)的神經(jīng)信號和我們一樣，我們就可以用它們的信息為藥物試驗提供線(xiàn)索。”Leung博士介紹，而且，與科學(xué)家們常用的實(shí)驗動(dòng)物老鼠不同，斑馬魚(yú)是日間活動(dòng)的生物，這一點(diǎn)我們也和斑馬魚(yú)一樣。

 

題圖來(lái)源：wikipedia

 

參考資料：

[1] Louis Leung et al., (2019) Neural signatures of sleep in zebrafish. Nature. DOI: 10.1038/s41586-019-1336-7

[2] Neural sleep patterns emerged at least 450 million years ago. Retrieved Jul 11, 2019, from http://med.stanford.edu/news/all-news/2019/07/neural-sleep-patterns-emerged-at-least-450-million-years-ago.html

[3] Louis Leung et al., (2018) Sleep: short sleepers should keep count of their hypocretin neurons. Curr. Biol. 28, R558–R560

These slumbering fish may offer clues to the origins of sleep. Retrieved Jul 11, from https://www.nationalgeographic.com/science/2019/07/slumbering-zebrafish-offer-clues-to-origins-of-sleep/