使用行為標準，睡眠在動物界的各個門類中都已經(jīng)被描述。睡眠的定義也擴展到包括了人類主要的電生理學特征，例如，慢波睡眠和快速眼動睡眠。這些神經(jīng)元特征在哺乳動物、鳥類和蜥蜴中都有發(fā)現(xiàn)，但目前還不清楚是否存在于非羊膜脊椎動物如魚類和兩棲類動物中。

 

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

 

 

 

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

 

他們發(fā)現(xiàn)進行了經(jīng)過睡眠剝奪后，睡眠中的的斑馬魚的背蒼白展現(xiàn)了一種高度同步的不斷被間歇打破的爆發(fā)性活動。而未經(jīng)睡眠剝奪的斑馬魚在醒著的時候，端腦中高度自發(fā)的活動發(fā)生在背蒼白的前外側區(qū)域且不同步。

 

 

圖一. 睡眠剝奪導致斑馬魚背蒼白的慢爆發(fā)活動

 

 

他們又使用催眠藥處理未經(jīng)睡眠剝奪的斑馬魚，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. 催眠藥對端腦活動的不同影響

 

 

他們發(fā)展了一個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的轉基因斑馬魚系，來進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在熒光多導睡眠圖中，背蒼白都顯示出同步性，同時伴隨著肌肉、眼和心臟活動的減弱。

 

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，自然的眼運動轉變?yōu)榫徛霓D動，心跳也下降至90次每分鐘。傳播波睡眠相較快速眼動睡眠的一個顯著區(qū)別是哺乳動物睡眠的快速眼動特征的缺乏。

 

 

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大的細胞亞群，它們是相同的室周細胞類型，在傳播波睡眠出現(xiàn)前被激活，并且隨著波在腦中的傳播而失活。同時，在睡眠和皮膚色素的調節(jié)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的腦室內，發(fā)現(xiàn)室周細胞內的GCaMP熒光較模擬或只注入載體的魚顯著增加。

 

 

圖四. MCH對斑馬魚的影響

 

 

他們第一次在硬骨魚類中鑒別出了睡眠的神經(jīng)特征，表明在4.5億年前，脊椎動物大腦中可能出現(xiàn)了常見的睡眠神經(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.