Science子刊解謎：先有的大腦，還是先有的睡眠？

日期:2021-01-15

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Science子刊解謎：先有的大腦，還是先有的睡眠？

小到線蟲、節(jié)肢動(dòng)物，甚至是無腦動(dòng)物水母，大到包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)的哺乳動(dòng)物，睡眠行為廣泛存在于動(dòng)物世界中。然而，對(duì)于漫漫進(jìn)化過程中睡眠的起源及其調(diào)節(jié)機(jī)制一直是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域最大的謎團(tuán)之一。因此，有一個(gè)燒腦的問題也隨之而來，即：到底是先有的大腦，還是先有的睡眠？

近日，發(fā)表在《Science Advances》上的一項(xiàng)研究中，來自日本九州大學(xué)和韓國(guó)國(guó)立蔚山科學(xué)技術(shù)院領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)原始水生生物的研究，或許找到了這一問題的答案。這項(xiàng)新研究表明，這些微小的動(dòng)物盡管沒有大腦也能進(jìn)入睡眠樣狀態(tài)。這讓我們又進(jìn)一步了解了很多動(dòng)物是如何進(jìn)化出睡眠需求和能力的。更重要的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致人類昏昏欲睡的化學(xué)物質(zhì)對(duì)普通水螅也有同樣的影響，這表明不同物種之間存在著生物學(xué)聯(lián)系，盡管我們之間存在著巨大差異。

水螅（Hydra vulgaris）是一種最低等的無腦腔腸動(dòng)物，通常生活在水流緩慢、水草豐富的淡水中。它分布極廣，容易采集和培養(yǎng)，是較為理想的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)材料。

水螅（Hydra vulgaris）
研究通訊作者、日本九州大學(xué)的生物學(xué)家Taichi Itoh說：“我們現(xiàn)在有強(qiáng)有力的證據(jù)表明，動(dòng)物在擁有大腦之前就已經(jīng)有了睡眠需求。根據(jù)我們的發(fā)現(xiàn)和先前對(duì)水母的研究，我們可以說睡眠進(jìn)化是獨(dú)立于大腦的。”
先前的幾項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，無大腦動(dòng)物也有類似睡眠的行為，Itoh提到關(guān)于水母的研究就是其中之一。然而，水母的神經(jīng)系統(tǒng)要比水螅更為發(fā)達(dá)，而且它們似乎遵循了晝夜節(jié)律。
因此，研究人員不確定他們會(huì)在更低等的水螅樣本中發(fā)現(xiàn)什么，這些水螅也有神經(jīng)，但只是在一個(gè)原始的、分散的組織中。

實(shí)驗(yàn)水螅

研究人員通過一個(gè)視頻分析系統(tǒng)來追蹤水螅的運(yùn)動(dòng)，并用一個(gè)發(fā)光二極管作為“鬧鐘”。他們觀察到這些小動(dòng)物平均每四小時(shí)進(jìn)入一個(gè)睡眠周期。這看起來比我們?nèi)祟惖睦Ь敫幸獊淼酶煲恍?/span>
研究人員發(fā)現(xiàn)，將水螅暴露于促進(jìn)睡眠的褪黑素和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)GABA中，它們的睡眠時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。不可思議的是，將它們暴露于通常使我們更加興奮和清醒的多巴胺中，水螅的睡眠不減反增。

這些反應(yīng)為研究人員提供了更多線索，闡明在發(fā)育出大腦前后，睡眠是如何在動(dòng)物世界中進(jìn)化的。研究人員表示，目前還不清楚水螅體內(nèi)紊亂的神經(jīng)系統(tǒng)是否起作用。
Itoh說：“雖然一些睡眠機(jī)制似乎是保守的，但其他的可能在大腦進(jìn)化過程中發(fā)生了功能改變。”
不出所料，進(jìn)一步的“動(dòng)蕩”和溫度變化實(shí)驗(yàn)擾亂了水螅的睡眠，就像人類的反應(yīng)一樣，在受到干擾后，它們第二天的睡眠時(shí)間更長(zhǎng)，甚至睡眠剝奪也干擾了水螅的細(xì)胞增殖。

研究人員發(fā)現(xiàn)，睡眠剝奪改變了212個(gè)基因的表達(dá)，其中一個(gè)叫做PRKG基因，這是一種與包括小鼠和果蠅在內(nèi)的許多動(dòng)物睡眠模式有關(guān)的蛋白質(zhì)。進(jìn)一步的研究可能會(huì)揭示出與普遍睡眠過程相關(guān)的通用基因。
Itoh說：“關(guān)于動(dòng)物的睡眠是如何產(chǎn)生的，還有許多問題有待解決，但水螅是一種易于操作的生物，可以進(jìn)一步研究無腦動(dòng)物睡眠的詳細(xì)機(jī)制，以幫助我們?cè)谖磥斫獯疬@些問題。”

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