《自然》封面:我们像鱼一样睡觉,从4.5亿年前开始

日期: 2019-07-15
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▎学术经纬/报道


鱼是怎么睡觉的?


斯坦福大学医学院(Stanford University School of Medicine)睡眠科学家对这个问题的回答登上了最新一期《自然》杂志的封面。


《自然》封面:我们像鱼一样睡觉,从4.5亿年前开始

在一种水族馆里常见的小鱼——斑马鱼中,研究人员利用分子生物学工具和先进的成像技术,记录到了鱼在睡觉时的神经信号模式,并且发现,这种模式和我们人类以及其他哺乳动物、鸟类等陆生动物的大脑活动非常相似!这表明,我们现有的“睡眠模式可能在至少4.5亿年前就出现在了脊椎动物的大脑中”,研究人员介绍。


《自然》封面:我们像鱼一样睡觉,从4.5亿年前开始


100多年前,法国科学家Henri Pieron就把睡眠作为一种动物界普遍的生理现象进行研究。人们观察动物的行为发现,鱼和其他飞鸟走兽一样会睡觉。它们睡觉时不太动,有特定的姿势,全身反应降低,有周期性,种种状态都和我们睡觉时很像(除了不闭眼睛)。


随着现代睡眠科学的发展,科学家找到了定义睡眠更可靠的电生理标志:特征性的慢波睡眠和快速眼动(REM)睡眠。我们在入睡后会经历数个睡眠周期,每个睡眠周期中慢波睡眠和REM睡眠交替。这样的睡眠模式同样存在于其他哺乳动物、鸟类和爬行动物中。


但是,作为在进化道路上和我们分开得更早的动物,鱼类的睡眠状态是怎么样的?过去没有合适的方法,答案无人知晓。


《自然》封面:我们像鱼一样睡觉,从4.5亿年前开始

▲脊椎动物中,鱼类的物种数量最多,然而迄今对鱼类的睡眠只有行为描述,没有神经特征的描述(图片来源:参考资料[3])


为了研究斑马鱼的睡眠,Louis Leung博士及其同事搭建了一套荧光光板显微镜,能够以单细胞分辨率对整条鱼成像。与此同时,他们对斑马鱼进行了基因改造,让鱼的神经元在活跃时会通过钙离子的变化发出荧光。


然后,研究人员让2周大的小鱼睡在可以起到固定作用的“床”——琼脂中。由于幼年的斑马鱼全身透明,科学家可以不用植入电极,直接通过显微镜清楚地观察细胞的荧光变化,从而了解哪些区域的神经处于活跃状态,记录它们的脑活动。


研究团队还开发了一套基于荧光的多导睡眠图,可以同时观察鱼睡着时的心率、眼球运动和肌肉张力,看到它们睡眠时“保持静止,肌肉放松,心肺节律减慢,当被接近时没有什么反应”,这些状态都和陆地脊椎动物相似通讯作者Philippe Mourrain教授介绍


《自然》封面:我们像鱼一样睡觉,从4.5亿年前开始

▲本研究的测量方法示意图(图片来源:参考资料[1])


借助这些测量方法,研究人员很快看到神经元的活跃模式,有类似于人类慢波睡眠和REM睡眠的两种状态,并且在两者之间循环。他们将观察到的这两种睡眠状态命名为慢爆发睡眠(slow-bursting)和传播波睡眠(propagating wave sleep)。(鱼在睡觉时非但不闭眼,眼球还不动,自然不能叫快速眼动睡眠了。)


为了确认这些活动模式是真正的睡眠,研究人员事先想办法阻止鱼睡觉,造成它们缺觉。随后,当困倦的小鱼接受测量时,特定的神经活动模式果然立刻出现——它们很快睡着了。而与之对比,斑马清醒时,大脑的信号非常嘈杂,神经元混乱地闪烁,Leung博士补充说。


《自然》封面:我们像鱼一样睡觉,从4.5亿年前开始

▲经历睡眠剥夺后,缺觉的鱼很快进入睡眠状态,神经元发放同步化(图片来源:参考资料[1])


睡眠的重要性让这项研究引起了很多科学家的关注。


“睡眠是个巨大的谜题,”研究果蝇睡眠的生物学家William Joiner教授没有参与这项研究,他说很多研究想弄清楚我们为什么要睡觉,“但人们还没有找到一个很好的答案。”鱼类与哺乳动物拥有相似的睡眠模式,或许可以为我们在进化上提供线索,帮助我们更好地理解睡眠的生物学功能。


而另一位睡眠科学家Jerry Siege对研究结果有不同意见,似乎也有道理:这些睡眠特征是在幼鱼中发现的,成鱼是不是这样还不好说。毕竟,我们成人就不再拥有“婴儿般的睡眠”。


《自然》封面:我们像鱼一样睡觉,从4.5亿年前开始

(图片来源:pixabay)


不管怎样,这项研究的新技术不仅提供了“眼见为实”的鱼类睡眠证据,也意味着斑马鱼可以在睡眠研究中为开发睡眠相关药物提供帮助。因为“本质上鱼的神经信号和我们一样,我们就可以用它们的信息为药物试验提供线索。”Leung博士介绍,而且,与科学家们常用的实验动物老鼠不同,斑马鱼是日间活动的生物,这一点我们也和斑马鱼一样。


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