先有鸡还是先有蛋？cience子刊揭秘睡眠可能先于大脑进化

发布日期：2024-09-19 23:19

来源类型：挖贝网 | 作者：Mazarine

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一个多世纪以来，研究人员一直着迷于探索睡眠对大脑的影响，以及其与记忆和学习之间的潜在关联，并试图通过记录不同睡眠阶段之间脑电波的差异，解析是什么驱动了睡眠？

但随着研究的进一步深入，以大脑为中心的睡眠理论的逐渐受到了质疑。研究人员发现，由肌肉以及除神经系统外的一些组织产生的分子也可以参与到睡眠的调节过程中。

那么，睡眠到底是大脑的休息，还是身体的休息呢？以往的研究表明，睡眠情况会直接影响大脑的运作性能。但如果没有大脑，我们还需要睡眠吗？

一项新研究可能会为此问题提供一些思路，由来自日本九州大学的Taichi Q. Itoh教授和来自韩国国立蔚山科学技术院的Chunghun Lim教授共同领导的研究在 Science Advances 上公开发表[1]。

研究表明，缺乏中央神经系统的刺胞动物Hydra（九头蛇）也会表现出类似睡眠的状态，它会周期性地进入一种符合睡眠基本标准的休息状态，日本九州大学的Taichi Q. Itoh教授表示：“这是一个强有力的证据，证明动物在拥有大脑之前，就已经拥有睡眠需求。睡眠进化是独立于大脑的进化而存在的。”

Hydra（九头蛇）就是我们较为常知的一种刺胞动物——水螅，它只有0.4英寸长，是一种多细胞无脊椎动物，身体呈圆筒形，常为褐色，口周围有触手，是捕食的工具，体内存在空腔。与以往研究睡眠的模式动物不同，水螅没有中央神经系统，但其弥散的神经网络足以支配身体的大部分部位。

这意味着，在“睡眠调节在中枢神经系统的进化过程中是如何形成的？”的研究中，刺胞动物处于系统发育树中较为理想的位置，这也是研究人员选择水螅作为此次研究模型动物的重要原因。

尽管水螅具有丰富的神经网络，但其分布的较为分散，这就意味着以往研究中常用的，基于脑电波来检测睡眠的方法并不适用于水螅这种小且无脑的生物。

于是，研究人员自制了一种影像系统来监测水螅运动状态。每隔5秒，系统会自动测量了两个连续捕获的成像帧之间像素值的变化，差异超过阈值即被视为个体运动的特征。同时，系统还会自动计算每2分钟内水螅发生的可检测到运动帧的比率，来判定水螅是否处于“行为静止”状态。

研究结果发现，水螅的睡眠有其特殊性，与人类每24小时出现一次睡眠周期不同，水螅以4小时为周期，交替表现出‘活跃’和‘类似睡眠’状态。另一方面，在通常情况下，多巴胺会引起生物体兴奋，但对于水螅来说，多巴胺却会延长水螅的睡眠时长。

除此之外，研究人员还发现，尽管水螅缺少大脑，但其与许多拥有大脑的生物体具有相似的睡眠调节通路。例如，将水螅置于褪黑素环境中，其每日睡眠时长和睡眠次数都会有所增加；

相比之下，与许多动物睡眠活动相关的抑制性神经递质GABA表现得更加明显，可以大幅度增加水螅的每日睡眠时长和睡眠次数。

研究人员猜测，水螅之所以会与许多拥有大脑的生物体表现出相似的睡眠状态，可能是因为基因组水平上，水螅的睡眠基因片段可能与其他动物的睡眠片段存在重叠部分，为了验证这一猜想，研究人员进行了更深入的研究。

研究人员利用振动，或温度变化来对水螅睡眠进行干扰或剥夺，结果发现，反复剥夺水螅睡眠，会延长其在第二天的睡眠时间。同时，研究人员还将睡眠剥夺组与对照组水螅进行了基因表达谱的比较，发现睡眠剥夺会导致212个基因的表达发生变化。其中一个基因还与PRKG1蛋白质有关，这种蛋白质已在多种模式动物中被验证与睡眠调节相关，很可能是睡眠调节的祖先基因之一。

九州大学的 Taichi Itoh教授表示：“这究表明，水螅以及其隶属的刺胞动物门在很早之前就具有睡眠调节的遗传因子，这一发现将有助于研究人员在有脑动物中识别目前未知的睡眠相关基因。”

一直以来，在人们的认知中，睡眠与冬眠、昏迷、醉酒或任何其他静止状态不同。睡眠似乎隐藏着许许多多的秘密，与整个生物体，特别是生物体的大脑息息相关，但是目前的研究结果显示，看起来简单且无脑的生物——水螅，也拥有睡眠的需求。

但是，在没有大脑的情况下，睡眠期间，机体到底在做什么呢？

对此，研究人员提出了自己的猜想：对于某些动物来说，睡眠很可能是主要的机体代谢阶段，该阶段会发生一些无法在运动状态完成的生化反应。或许，生物体睡眠的核心作用是管理能量流动，生物体清醒时用来保持警觉性或运动所消耗的能量会被挪用，在睡眠阶段进行一些高消耗的代谢反应。

例如，秀丽隐杆线虫会利用睡眠来促进其身体的生长，并完成其组织的修复；当对水螅进行睡眠剥夺时，其常规的细胞分裂活动也会被暂停。

该研究意义重大，它颠覆了人类对睡眠标准概念的划分，让人们进一步去探索埋藏在数十亿年的生命历史中，睡眠的原始作用。或许有一天，我们会从更古老的海绵动物身上找到我们想要的答案。

参考文献：

1.Taichi Q. Itoh，Chunghun Lim，Hiroyuki J. Kanay.A sleep-like state in

Hydra unravels conserved sleep mechanisms during the evolutionary development of the central nervous system.ScienceAdvances.[J].2020-10-07

2.https://www.quantamagazine.org/sleep-evolved-before-brains-hydras-are-living-proof-20210518/