使用行為標準，睡眠在動(dòng)物界的各個(gè)門(mén)類(lèi)中都已經(jīng)被描述。睡眠的定義也擴展到包括了人類(lèi)主要的電生理學(xué)特征，例如，慢波睡眠和快速眼動(dòng)睡眠。這些神經(jīng)元特征在哺乳動(dòng)物、鳥(niǎo)類(lèi)和蜥蜴中都有發(fā)現，但目前還不清楚是否存在于非羊膜脊椎動(dòng)物如魚(yú)類(lèi)和兩棲類(lèi)動(dòng)物中。

 

近日，來(lái)自美國和日本的科學(xué)家，在nature發(fā)表了一篇名為《Neural signatures of sleep in zebrafish》的文章，介紹了他們關(guān)于睡眠的最新研究成果。他們針對斑馬魚(yú)發(fā)展了無(wú)創(chuàng )熒光多導睡眠圖，使用無(wú)偏好的，全腦范圍的活動(dòng)記錄，結合眼球運動(dòng)，肌肉動(dòng)力學(xué)和心率的評估，發(fā)現斑馬魚(yú)中至少有兩個(gè)主要的睡眠特征。他們稱(chēng)之為慢爆發(fā)睡眠和傳播波睡眠，分別與慢波睡眠和快速眼動(dòng)睡眠有共同之處。此外，他們發(fā)現黑色素濃縮激素信號(參與哺乳動(dòng)物睡眠)通過(guò)激活室管膜細胞調節斑馬魚(yú)的傳播波睡眠信號和睡眠總量。

 

 

 

他們選取了一到兩個(gè)星期大的斑馬魚(yú)幼魚(yú)，記錄在睡眠過(guò)程中，背蒼白中表達鈣指示劑GCaMP6F的神經(jīng)元的活動(dòng)。

 

他們發(fā)現進(jìn)行了經(jīng)過(guò)睡眠剝奪后，睡眠中的的斑馬魚(yú)的背蒼白展現了一種高度同步的不斷被間歇打破的爆發(fā)性活動(dòng)。而未經(jīng)睡眠剝奪的斑馬魚(yú)在醒著(zhù)的時(shí)候，端腦中高度自發(fā)的活動(dòng)發(fā)生在背蒼白的前外側區域且不同步。

 

 

圖一. 睡眠剝奪導致斑馬魚(yú)背蒼白的慢爆發(fā)活動(dòng)

 

 

他們又使用催眠藥處理未經(jīng)睡眠剝奪的斑馬魚(yú)，在背蒼白中記錄到了三種神經(jīng)元特征：慢爆發(fā)睡眠，廣泛沉默和從尾到吻的波形。

 

 

圖二. 催眠藥對端腦活動(dòng)的不同影響

 

 

他們發(fā)展了一個(gè)可以自定義的光片顯微鏡成像平臺和在腦、肌肉表達GCaMP7，在心臟表達GFP的轉基因斑馬魚(yú)系，來(lái)進(jìn)行熒光多導睡眠圖測量。與之前的端腦成像一致，睡眠剝奪和藥物處理的斑馬魚(yú)在熒光多導睡眠圖中，背蒼白都顯示出同步性，同時(shí)伴隨著(zhù)肌肉、眼和心臟活動(dòng)的減弱。

 

在清醒狀態(tài)下，熒光多導睡眠圖測量到頻繁的眼跳躍，活躍的肌肉緊張和大約每分鐘200次的心跳。而在傳播波睡眠狀態(tài)下，肌緊張快速完全消失，自然的眼運動(dòng)轉變?yōu)榫徛霓D動(dòng)，心跳也下降至90次每分鐘。傳播波睡眠相較快速眼動(dòng)睡眠的一個(gè)顯著(zhù)區別是哺乳動(dòng)物睡眠的快速眼動(dòng)特征的缺乏。

 

 

圖三. 熒光多導睡眠圖顯示慢爆發(fā)睡眠和傳播波睡眠

 

 

 

研究人員鑒定出了一個(gè)大的細胞亞群，它們是相同的室周細胞類(lèi)型，在傳播波睡眠出現前被激活，并且隨著(zhù)波在腦中的傳播而失活。同時(shí)，在睡眠和皮膚色素的調節中，室血管膜細胞可以被MCH激活。纖毛室管膜細胞也表達MCH和MCHR1。研究人員將MCH注射入轉基因斑馬魚(yú)的腦室內，發(fā)現室周細胞內的GCaMP熒光較模擬或只注入載體的魚(yú)顯著(zhù)增加。

 

 

圖四. MCH對斑馬魚(yú)的影響

 

 

他們第一次在硬骨魚(yú)類(lèi)中鑒別出了睡眠的神經(jīng)特征，表明在4.5億年前，脊椎動(dòng)物大腦中可能出現了常見(jiàn)的睡眠神經(jīng)特征。

 

 

參考文獻：Leung, L. C.;  Wang, G. X.;  Madelaine, R.;  Skariah, G.;  Kawakami, K.;  Deisseroth, K.;  Urban, A. E.; Mourrain, P., Neural signatures of sleep in zebrafish. Nature 2019, 571 (7764), 198-204.