没有脑子的动物,需要睡觉吗?

Does a "brainless" animal need sleep?

选自科考夫瞭望 kerckhoff.blog

· 《科考夫瞭望》博文选

本文由”科考夫瞭望“与公众号“我是科学家”(原“果壳科学人”) 联合出品 

撰文 | 丁霄哲

编辑 | 小柒 陈欣泓

审稿 | 石悦琳

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图片来源:《辛普森的一家》

睡眠在高等动物中十分普遍。比如人类就要花近三分之一的时间睡觉。不过你有没有想过,睡眠是复杂的神经系统特有的功能吗?猜猜看,下图中,睡眠是从哪一类动物开始出现的?该怎么判断这类动物是不是在睡觉?

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神经系统的演化及其代表动物(图片来源:[1])

事实上,这也是过去十几年中不少神经科学家们所感兴趣的问题。科学家们证实了包括斑马鱼、果蝇甚至只有302个神经元的线虫在内的许多神经系统结构相当简单的生物中都存在类似睡眠的行为。不过,上述这些动物都有一个共同特点——它们都长了一个脑子。那么接下来,一个更极端的问题是,脑子对睡眠是必需的吗?

水母拥有着多细胞动物中最原始、最简单的网状神经系统。它的神经元只是互相连接形成一个松散的网络、并不存在中枢及明显的功能分区。也就是说,水母就是一种典型的“无脑”动物。所以,只要搞清楚水母会不会睡觉,就能知道“脑子对睡眠是否必要”,进而为理解睡眠的演化起源和原始功能等提供重要线索。而这些将会在未来帮助科学家们回答“我们为什么要睡觉”这样的终极问题

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图片来源:nipic.com

如何知道水母会不会睡觉?

水母没有眼睛,不会说话,也不会做出躺卧动作,怎样才能判断它们是否在睡觉呢?

目前在多种物种中被普遍接受的对于睡眠行为的标准主要有三条:

1. 静息(quiescence),即活动性的降低。

2. 对外界刺激反应的降低(reduced responsiveness)。

3. 稳态反弹(homeostatic rebound),即在睡眠剥夺后会有反弹。

这三条标准翻译成人话分别是:

1. 睡着的时候动弹少。

2. 睡着的时候反应更慢。

3. 熬夜不睡之后会困、要补觉。

但是,不像小鼠、果蝇这些在神经科学研究中广泛使用的模式生物,水母极少出现在“严肃”的现代神经生物学实验室里。所以,即使水母是否会睡觉这个问题在神经科学家们的脑中一闪而过,他们往往也只能“望洋”兴叹。

三位加州理工学院的博士生在一次茶余饭后的闲谈中也聊到了这个问题。幸运的是, 他们中的一位神经科学的“外行”刚好正在研究水母的自我修复能力,因此养了几箱水母。于是三人立即去实验室一探究竟。当他们把水箱的灯光关闭后,神奇的事情发生了,这些水母的规律性收缩看上去好像放慢了,“就像是在睡觉一样”。于是,他们决定用上文所述的严格标准来看一看,这是不是真的睡眠行为。

标准1 昼夜活动性差异

这种在实验室培养的水母学名叫仙女水母(Cassiopeais)。不同于在水族馆中常见的四处飞舞的水母,仙女水母在大多数时候是“倒立”着坐在海底的。这使得它们非常易于饲养和观察。

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图片来源:[4], fabiaoqing.com

三位博士生用摄像机详细记录了水母在白天和夜间的收缩行为。结果发现,在白天这些水母每一两秒钟会规律地收缩一次。而到了晚上,它们不仅会时不时地停下来不再收缩,并且收缩时的频率也降低了不少。

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图片来源:[4]

重要的是,这样的结果并不只出现在个别水母。在他们观察的全部23只水母中,都一致地出现了白天明显比夜间更活跃的现象。在白天,它们平均每分钟收缩58次,在晚上则平均每分钟收缩39次。

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图片来源:[4]

标准2 对外界刺激反应的差异

睡眠时的另一个特征是对外部世界的刺激反应降低。要测试水母在晚上是不是也有这个特点,三位博士生也大开脑洞,基于仙女水母的习性设计了一种定量检测它们对外界刺激的反应速度的方法。

像许多小仙女们一样,仙女水母也天生喜欢“宅”。 无论白天还是晚上,一旦它们发现自己突然被外力从舒适的“床” 上(海底)拽起来,它们都会赶紧游回去。三位研究者设计的测试反应速度的方法,就是测量仙女水母突然漂浮起来后,反应会有多快 。他们把一只仙女水母放在一个有底的小管中,再一起放置在水箱中。每次测量时,他们会把小管慢慢提起、然后瞬间放下,这时水母就因为惯性而漂浮在半空中。随后,他们会记录下它要花多长时间回到小管的底部 。

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图片来源:[4]

实验结果显示,比起白天时,在夜里“睡得迷迷糊糊”的水母果然需要更多时间才能反应过来自己突然出现在半空,也需要花更长时间才能游回管底。也就是说,水母在晚上对外界刺激的反应确实变慢了。

标准3  “熬夜”的影响

睡眠行为的第三个标准是,如果一天晚上没有睡好,之后会很困、并需要“补觉”。要实验验证这一点的难处是该怎样让水母“失眠”。毕竟,仙女水母们既不会熬夜刷手机,也不需要赶deadline,有什么理由“失眠”呢?

不过,在三位思(sang)如(xin)泉(bing)涌(kuang)的博士生看来,这也不是什么难事。他们很快找到一种的方法:”折腾“——只要每20分钟用水流把可怜的小水母吹起来10秒钟,就可以让它们晚上睡不安稳。

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(5X 真实速度)

图片来源:[4]

于是,他们用这种方法整晚地“折腾”仙女水母,然后记录它们接下来的活跃程度。果然不出所料,在夜里被折腾得没睡好的第二天白天,水母们的活跃度相比往常大幅下降;甚至在紧接着的第二天晚上,他们也比平时睡得稍微更“沉”一些,如下图所示。

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图片来源:[4]

作为对照实验,如果水母们是在白天遭到了”折腾“,那对接下来的黑夜和白天,他们的活跃度就会跟往常没有什么很大的变化。看起来,仙女水母们的睡眠确实存在一个稳态调节机制

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图片来源:[4]

额外的证据

通过这三组实验,三人其实已经证明了水母中存在一种非常接近于我们惯常称为”睡眠“的行为。不过,他们想进一步看看,这种行为在化学调控机制上,是否也与其他动物的睡眠行为类似。

通过这三组实验,三人其实已经证明了水母中存在一种非常接近于我们惯常称为“睡眠”的行为。不过,他们想进一步看看,这种行为在更底层的化学调控机制上,是否也与其他动物的睡眠行为类似。于是,他们尝试着向水箱中加入脊椎动物中常见的调控睡眠和光周期的分子:褪黑色素(melatonin)。这种分子还有一个更广为人知的俗名,叫“脑白金”。大多数日间活动的哺乳动物的血清中,褪黑色素的浓度在白天降低、在晚上升高,调控全身的睡眠活动。[2]

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图片来源:[4]

神奇的是,褪黑色素确实降低了仙女水母在白天的活跃度,而且降低程度与褪黑色素的浓度相关。也就是说,退黑色素这种参与了人类睡眠调控的分子,可能具有惊人的演化上的保守性——也就是说,“脑白金”并不是有脑动物才有的专利,早在“脑”还没有出现时,褪黑色素就已经在调控神经系统的睡眠行为了!

结语

三位博士生这项在业余时间完成的异想天开的工作,首次证明了在只具有弥散神经网的动物中也存在类似睡眠的行为,也揭示了睡眠这种古老的行为可能早在具有中枢的神经系统出现之前就已经出现。

这就意味着,睡眠是动物神经系统的一种不依赖于“脑子”而存在的、可以直接依托于整个神经网络本身的特性。这为科学家们理解“我们为什么要睡觉”指出了新的思路。

谁又知道, 未来会不会有一天,今天那些看起来不知疲倦的人工神经网络,也会学会睡觉呢?

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一百万年后地球硅基生命的三大哲学问题 

图片来源:Artist: Bruno Murai

后记:三个博士生的“课外兴趣小组”

这项研究背后的故事也不同寻常。整个课题是由三位博士生在业余时间自发开始的。参与实验的三位博士生Ravi,Claire和Michael分别来自不同的实验室、不同的专业,也分别有自己的“正经”的研究课题:Ravi平时研究线虫睡眠行为的分子机制,Claire主业是通过蛋白质工程手段为神经科学开发工具,而Michael的主业则是研究生物组织的自我修复 [3] 。

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从左往右依次是Ravi, Claire 与 Michael (摄影:John A De Modena )

三人一时兴起商议了这个水母睡觉的小课题后,分别向各自的导师汇报了这项“不务正业”的研究计划。没有想到,导师们对这个课题非常感兴趣,支持他们购置试验设备,并允许他们在位于著名的科考夫楼二层的Sternberg实验室的一个闲置房间里搭起了小实验室[2]。

为了研究水母这种非典型模式生物,他们从头开始,一步步地开发了一整套记录水母行为、分析的方法,并最终用严谨的科学手段证明了水母有类似睡眠的行为。这项课余的研究成果最终发表在颇有名望的学术期刊《当代生物学》上[3]。

*特别感谢小柒老师对本文修改提供的帮助!

注:

[1]Silverthorn, D. U. (2007). Humanphysiology: An integrated approach. San Francisco: Pearson/BenjaminCummings.

[2] 褪黑色素也经常作为补剂,辅助睡眠不佳或者正在倒时差的人群。不过,由于褪黑色素易降解等原因,有效给药非常困难。目前褪黑色素主要以审查更为宽松的“保健品”而非“药品”出现在市场上。尽管在商业上非常成功,这些褪黑色素类产品是否能真的改善睡眠在学界还没有定论、仍是有争议的话题。

[3] Conflict of interest:本文作者间接受益于本课题,曾多次使用该课题所购置的豪华台式机用于图像处理任务。Claire是本文作者在Arnold/Gradinaru lab轮转时的mentor,给过本文作者巨大帮助。

[4]Nath, R. D., Bedbrook, C. N., Abrams, M. J., Basinger, T., Bois, J. S., Prober,D. A., … & Goentoro, L. (2017). The jellyfish Cassiopea exhibits asleep-like state. Current Biology,27(19), 2984-2990.  ** 该论文是本文主要内容的来源。

[5] Artist:Bruno Murai

本文由”科考夫瞭望“与公众号“我是科学家”(原“果壳科学人”) 联合出品