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Sep. 16 2019

動物為什麼要睡覺?一直醒著會怎樣?

  • 睡覺對野生動物來說可能是件危險的事情| Pixabay

    睡覺對野生動物來說可能是件危險的事情| Pixabay

  • 斑馬魚幼體(左)以及4種常見的不同變異的斑馬魚成體。(成體從左往右、從上到下分別為野生型、豹紋型、白化型以及長鰭型,實驗中最常見的是野生型)| 參考文獻[2]

    斑馬魚幼體(左)以及4種常見的不同變異的斑馬魚成體。(成體從左往右、從上到下分別為野生型、豹紋型、白化型以及長鰭型,實驗中最常見的是野生型)| 參考文獻[2]

  • 清醒時大腦神經元會不斷積累DNA損傷| Pixabay

    清醒時大腦神經元會不斷積累DNA損傷| Pixabay

  • 白天的DNA損傷水平(紅色)比晚上高| 參考文獻[1]

    白天的DNA損傷水平(紅色)比晚上高| 參考文獻[1]

  • DNA損傷水平以及染色體動力學水平呈相反的變化趨勢(圖中橘線是染色體動力學水平,藍線是DNA損傷水平) | 參考文獻[1]

    DNA損傷水平以及染色體動力學水平呈相反的變化趨勢(圖中橘線是染色體動力學水平,藍線是DNA損傷水平) | 參考文獻[1]

  • 阿佩爾鮑姆團隊提出的睡眠作用機制:清醒狀態下(天平左側),DNA損傷(DSBs)不停積累(黃色標註增多),染色體動力學水平(chromosome dynamics)低(藍色曲線長度變化小);睡眠狀態下(天平右側),染色體動力學水平升高(藍色曲線長度變長),DNA損傷水平降低(黃色標註減少) | 參考文獻[1]

    阿佩爾鮑姆團隊提出的睡眠作用機制:清醒狀態下(天平左側),DNA損傷(DSBs)不停積累(黃色標註增多),染色體動力學水平(chromosome dynamics)低(藍色曲線長度變化小);睡眠狀態下(天平右側),染色體動力學水平升高(藍色曲線長度變長),DNA損傷水平降低(黃色標註減少) | 參考文獻[1]

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睡眠對於我們人類來說是極其平常的一件事──人的一生大概三分之一的時間都在睡眠中度過。

但是對於那些在大自然中生活的野生動物來說,睡眠卻可能是件危險的事情。睡覺的時候,機體對外界刺激的敏感度降低,也就意味著對危險的警覺性降低,這對於野生動物可能是致命的。

睡覺對野生動物來說可能是件危險的事情| Pixabay

睡覺對野生動物來說可能是件危險的事情| Pixabay

那為什麼機體對睡眠的需求並沒有被「淘汰」,反而存在於地球上幾乎所有生物中呢?最近,來自以色列的李爾.阿佩爾鮑姆(Lior Appelbaum)及其研究團隊提出,睡眠有可能是我們大腦保持清醒的代價,並在斑馬魚上找到了支持這個假說的證據[1]。

被選中的斑馬魚

你也許會問,科學家們為什麼要用斑馬魚做研究對象呢?其實,斑馬魚是一種典型的「模式生物」(被科學家們廣泛研究, 用來揭示具有普遍規律生命現象的機制的生物)。他們全身透明,因此科學家們可以觀察正常生理狀態下活斑馬魚(不用宰了再看)的神經元變化。同時,斑馬魚大腦的結構與人類十分類似,得到的研究結論對於理解人類大腦的相關機制也具有參考價值。

斑馬魚幼體(左)以及4種常見的不同變異的斑馬魚成體。(成體從左往右、從上到下分別為野生型、豹紋型、白化型以及長鰭型,實驗中最常見的是野生型)| 參考文獻[2]

斑馬魚幼體(左)以及4種常見的不同變異的斑馬魚成體。(成體從左往右、從上到下分別為野生型、豹紋型、白化型以及長鰭型,實驗中最常見的是野生型)| 參考文獻[2]

對於哺乳動物來說,是不是處於睡眠狀態很容易判斷(排除裝睡)──長時間閉眼、幾乎一動不動、一些響聲也無法將其喚醒。

那麼,如何判斷魚類是否在睡覺呢?這可難不倒聰明、執行力強的科學家們。早在多年前,科學家們已經建立起了斑馬魚行為學觀察系統,通過觀察斑馬魚的行為,對牠們的睡眠狀態進行了定義:睡眠中的斑馬魚運動量降低(不動的時間超過一分鐘) ,同時對外界的刺激反應更慢(科學家們稱之為「更高的睡眠喚起閾值」)。通過觀察和記錄斑馬魚的活動情況,科學家們就能知道牠們究竟是處於「睡覺」還是在「清醒」的狀態[3]。

阿佩爾鮑姆團隊通過觀察斑馬魚的睡眠行為,發現了睡眠對於大腦不可替代的重要作用。

清醒時DNA會不斷受損

在介紹睡眠的作用前,先告訴大家一個可怕的事實:在我們清醒的時候,大腦神經元會不斷積累DNA損傷。這些DNA損傷是哪來的呢?其實,很多因素都可以造成神經元DNA損傷,比如電離輻射、核酶,還有我們的「老朋友」氧自由基,甚至正常的神經元生理活動也會造成DNA損傷。舉個例子,一隻小鼠在本能的驅使下探索新環境的時候,也會造成神經元DNA損傷[4]。

清醒時大腦神經元會不斷積累DNA損傷| Pixabay

清醒時大腦神經元會不斷積累DNA損傷| Pixabay

那麼,神經元的DNA損傷會這樣一直積累下去嗎?阿佩爾鮑姆團隊發現,斑馬魚在「清醒」的時候,會大量積累損傷DNA,但是到了晚上「睡覺」的時候,積累的DNA損傷便會大量消失。這就說明,這些損傷的DNA得到了清除,那麼,到底是什麼在清除這些DNA損傷呢?

白天的DNA損傷水平(紅色)比晚上高| 參考文獻[1]

白天的DNA損傷水平(紅色)比晚上高| 參考文獻[1]

根據之前的研究發現,一些染色體動力學活動(例如染色質編排)和大量生物節律相關基因的表達有關[5]。於是研究者受到啟發,認為DNA損傷和染色體脫不了關係,所以他們設計了一系列實驗,驗證了睡眠、DNA損傷和染色體動力學之間的關係。

清醒需要付出「代價」

阿佩爾鮑姆團隊發現,斑馬魚神經元染色體在晚上會更活躍,而在失眠(被人為剝奪睡眠)四小時的晚上,神經元染色體的動力學水平驟降。另外,在「被迫睡眠」(褪黑素處理)三小時的白天,斑馬魚神經元染色體動力學水平明顯上升。這些研究結果表明,睡眠的確與斑馬魚神經元染色體動力學水平相關。

研究者們還觀察比較了DNA損傷及染色體動力學水平在晝夜節律中的變化,發現兩者呈相反的變化趨勢──也就是DNA損傷在白天不斷積累,晚上逐漸下降;而染色體動力學水平在白天較低,晚上劇烈提高。這也證明了DNA損傷積累與染色體動力學水平的相關性。

為了進一步研究睡眠、DNA損傷和染色體動力學之間的因果關係,阿佩爾鮑姆團隊進行了接下來的實驗(繼續折騰這些斑馬魚)。

DNA損傷水平以及染色體動力學水平呈相反的變化趨勢(圖中橘線是染色體動力學水平,藍線是DNA損傷水平) | 參考文獻[1]

DNA損傷水平以及染色體動力學水平呈相反的變化趨勢(圖中橘線是染色體動力學水平,藍線是DNA損傷水平) | 參考文獻[1]

首先,他們排除了由於神經元活動升高直接引起染色體動力學水平下降的可能性。在DNA損傷水平最低的時段(晚上),他們通過某種化合物抑制神經元活動。結果表明,即便神經元活動下降了,染色體還是照舊,動力學水平並沒有任何變化。這說明神經元活動並沒有直接引起染色體動力學水平的變化。

接下來,阿佩爾鮑姆團隊開始摩拳擦掌地驗證睡眠、DNA損傷和染色體動力學水平之間的直接關係。他們想到一個很好的辦法:向斑馬魚生活的魚缸中添加會導致DNA雙鏈斷裂的化合物依託泊苷(etoposide, ETO),同時觀察斑馬魚染色體動力學水平、DNA損傷和睡眠的情況。

他們發現,在白天加藥兩個小時後,斑馬魚的DNA損傷水平明顯提高,但睡眠時間和染色體動力學水平並沒有明顯的變化;撤走ETO後一小時後,斑馬魚的睡眠時間開始增加,而染色體動力學水平卻沒有明顯的變化;在斑馬魚的睡眠時間增加一小時後,染色體動力學水平提高了兩倍,DNA損傷水平明顯下降。而在晚上添加ETO,會引起斑馬魚額外的DNA損傷,並且染色體動力學水平出現明顯的下降。這說明,神經元DNA損傷與染色體動力學水平的提高並不是同時發生的。白天引起的DNA損傷積累到一定程度會誘導斑馬魚進入睡眠狀態,而睡眠會引起染色體動力學水平的提高,從而導致DNA損傷水平漸漸下降。

阿佩爾鮑姆團隊提出的睡眠作用機制:清醒狀態下(天平左側),DNA損傷(DSBs)不停積累(黃色標註增多),染色體動力學水平(chromosome dynamics)低(藍色曲線長度變化小);睡眠狀態下(天平右側),染色體動力學水平升高(藍色曲線長度變長),DNA損傷水平降低(黃色標註減少) | 參考文獻[1]

阿佩爾鮑姆團隊提出的睡眠作用機制:清醒狀態下(天平左側),DNA損傷(DSBs)不停積累(黃色標註增多),染色體動力學水平(chromosome dynamics)低(藍色曲線長度變化小);睡眠狀態下(天平右側),染色體動力學水平升高(藍色曲線長度變長),DNA損傷水平降低(黃色標註減少) | 參考文獻[1]

這就好比我們生活中車水馬龍的道路,白天車比晚上多,馬路受到的磨損也更多,而修復馬路的最佳時間是車少的晚上一樣。睡眠對於大腦(道路)有益,是因為睡眠時染色體動力學水平提高(修路),而這種動態水平的提高是白天積累的DNA損傷(磨損)清除的必要因素[1]。

雖然,同樣的情況並未發生在神經元以外的細胞裡(如表皮細胞和神經鞘細胞),但這也足以體現了睡眠對於我們大腦的重要作用──睡眠可能是彌補我們清醒時用大腦進行各種活動付出的「代價」,睡眠不足的結果有可能是致命的。

這樣看來,在感到疲憊的時候,「補覺」還是很有必要的(似乎又給賴床找到了一個合適的理由呢)。

 

參考資料:

[1]Zada, D., et al., Sleep increases chromosome dynamics to enable reduction of accumulating DNA damage in single neurons. Nature communications, 2019. 10(1): p. 895-895.

[2]Kalueff, A.V., A.M. Stewart, and R. Gerlai, Zebrafish as an emerging model for studying complex brain disorders. Trends in pharmacological sciences, 2014. 35(2): p. 63-75.

[3]Yokogawa, T., et al., Characterization of sleep in zebrafish and insomnia in hypocretin receptor mutants. PLoS Biol, 2007. 5(10): p. e277.

[4]Suberbielle, E., et al., Physiologic brain activity causes DNA double-strand breaks in neurons, with exacerbation by amyloid-beta. Nat Neurosci, 2013. 16(5): p. 613-21.

[5]Lieber, M.R., The mechanism of double-strand DNA break repair by the nonhomologous DNA end-joining pathway. Annu Rev Biochem, 2010. 79: p. 181-211.

 

本文來源於果殼網(微信公眾號:Guokr42),這是一個開放、多元的泛科技主題網站,提供負責任、有智趣的科技主題內容,歡迎關注他們。如需轉載請直接聯繫sns@guokr.com。

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