魚是怎么睡覺的？

 

斯坦福大學醫(yī)學院（Stanford University School of Medicine）睡眠科學家對這個問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的小魚——斑馬魚中，研究人員利用分子生物學工具和先進的成像技術，記錄到了魚在睡覺時的神經(jīng)信號模式，并且發(fā)現(xiàn)，這種模式和我們?nèi)祟愐约捌渌溉閯游?、鳥類等陸生動物的大腦活動非常相似！這表明，我們現(xiàn)有的“睡眠模式可能在至少4.5億年前就出現(xiàn)在了脊椎動物的大腦中”，研究人員介紹。

 

 

100多年前，法國科學家Henri Pieron就把睡眠作為一種動物界普遍的生理現(xiàn)象進行研究。人們觀察動物的行為發(fā)現(xiàn)，魚和其他飛鳥走獸一樣會睡覺。它們睡覺時不太動，有特定的姿勢，全身反應降低，有周期性，種種狀態(tài)都和我們睡覺時很像（除了不閉眼睛）。

 

隨著現(xiàn)代睡眠科學的發(fā)展，科學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（REM）睡眠。我們在入睡后會經(jīng)歷數(shù)個睡眠周期，每個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物、鳥類和爬行動物中。

 

但是，作為在進化道路上和我們分開得更早的動物，魚類的睡眠狀態(tài)是怎么樣的？過去沒有合適的方法，答案無人知曉。

 

▲脊椎動物中，魚類的物種數(shù)量最多，然而迄今對魚類的睡眠只有行為描述，沒有神經(jīng)特征的描述（圖片來源：參考資料[3]）

 

為了研究斑馬魚的睡眠，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成像。與此同時，他們對斑馬魚進行了基因改造，讓魚的神經(jīng)元在活躍時會通過鈣離子的變化發(fā)出熒光。

 

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

 

研究團隊還開發(fā)了一套基于熒光的多導睡眠圖，可以同時觀察魚睡著時的心率、眼球運動和肌肉張力，看到它們睡眠時“保持靜止，肌肉放松，心肺節(jié)律減慢，當被接近時沒有什么反應”，這些狀態(tài)都和陸地脊椎動物相似，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，有類似于人類慢波睡眠和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）。（魚在睡覺時非但不閉眼，眼球還不動，自然不能叫快速眼動睡眠了。）

 

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

 

▲經(jīng)歷睡眠剝奪后，缺覺的魚很快進入睡眠狀態(tài)，神經(jīng)元發(fā)放同步化（圖片來源：參考資料[1]）

 

睡眠的重要性讓這項研究引起了很多科學家的關注。

 

“睡眠是個巨大的謎題，”研究果蠅睡眠的生物學家William Joiner教授沒有參與這項研究，他說很多研究想弄清楚我們?yōu)槭裁匆X，“但人們還沒有找到一個很好的答案。”魚類與哺乳動物擁有相似的睡眠模式，或許可以為我們在進化上提供線索，幫助我們更好地理解睡眠的生物學功能。

 

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

 

（圖片來源：pixabay）

 

不管怎樣，這項研究的新技術不僅提供了“眼見為實”的魚類睡眠證據(jù)，也意味著斑馬魚可以在睡眠研究中為開發(fā)睡眠相關藥物提供幫助。因為“本質(zhì)上魚的神經(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索。”Leung博士介紹，而且，與科學家們常用的實驗動物老鼠不同，斑馬魚是日間活動的生物，這一點我們也和斑馬魚一樣。

 

題圖來源：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/