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作者：丁霄哲

編輯：小柒

（圖片來源：《辛普森的一家》）

睡眠在高等動(dòng)物中十分普遍。比如我們?nèi)祟?，一生中就要花近三分之一的時(shí)間用來睡覺。不過，在閉目養(yǎng)神之前，你是否曾思考過，地球上那些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的動(dòng)物們究竟需不需要睡覺呢？

猜猜看，下圖中哪些生物會(huì)睡覺呢？

（神經(jīng)系統(tǒng)的演化及其代表動(dòng)物[1]）

在過去十幾年中，科學(xué)家們剛剛證實(shí)了包括斑馬魚、果蠅甚至線蟲在內(nèi)的“有腦”生物中都存在類似睡眠的行為。也就是說， 上圖中從扁形蟲（B）到哺乳動(dòng)物（F）都會(huì)睡覺。

新的問題來了，“無腦”的動(dòng)物會(huì)睡覺嗎？比如—— 水母 。

水母擁有著多細(xì)胞動(dòng)物中最原始、最簡(jiǎn)單的網(wǎng)狀神經(jīng)系統(tǒng)。它的神經(jīng)元只是互相連接形成一個(gè)松散的網(wǎng)絡(luò)、并不存在中樞及明顯的功能分區(qū)，屬于典型 的“無腦”動(dòng)物。

所以，只要搞清楚水母會(huì)不會(huì)睡覺，就能知道“腦對(duì)于睡眠是否必要”。

水母沒有眼睛、不會(huì)說話、也不會(huì)做出躺臥動(dòng)作，怎樣才能判斷它們是否在睡覺呢？ 好在有下面三條有關(guān)睡眠行為的標(biāo)準(zhǔn)，目前在許多物種中被普遍接受，可以用來借鑒：

①靜息(quiescence)，即活動(dòng)性的降低。

②對(duì)外界刺激反應(yīng)的降低(reduced responsiveness)。

③穩(wěn)態(tài)反彈(homeostatic rebound)，即在睡眠剝奪后會(huì)有反彈。

這三條標(biāo)準(zhǔn)翻譯成人話分別是：

①睡著了動(dòng)彈少。

②睡著了反應(yīng)更慢。

③熬夜不睡之后會(huì)困、要補(bǔ)覺。

如果是用小鼠、果蠅等常見模式生物做實(shí)驗(yàn)，很容易就能找到材料，但還很少有人將水母這種海洋精靈請(qǐng)進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。所以，想要做這項(xiàng)研究，好像必須先去海里捕捉水母才行，不然只能“望洋”興嘆了。

（捕捉水母。圖片來源：《海綿寶寶》）

有三位來自加州理工學(xué)院的博士生，在一次茶余飯后的閑談中聊到了這個(gè)問題。碰巧的是， 他們當(dāng)中的一位剛好養(yǎng)了幾箱水母在其他研究。

于是三人立即趕去實(shí)驗(yàn)室一探究竟——當(dāng)他們把水箱的燈光關(guān)閉后，神奇的事情發(fā)生了，這些水母的規(guī)律性收縮看上去好像放慢了， “就像是在睡覺一樣” 。于是，他們決定用上文所述的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)來測(cè)試一下，這算不算是真的睡眠行為。

這種在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的水母學(xué)名叫仙女水母（Cassiopeais）。不同于在水族館中常見的四處飛舞的水母，仙女水母在大多數(shù)時(shí)候是“倒立”著坐在海底的，這使得它們非常易于飼養(yǎng)和觀察。 平時(shí)，他們會(huì)規(guī)律地收縮。

（萌萌噠“小仙女”。圖片來源： 參考文獻(xiàn)[4]）

他們用攝像機(jī)詳細(xì)記錄了水母在白天和夜間的收縮行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在白天這些水母每隔一兩秒鐘會(huì)規(guī)律地收縮一次。而到了晚上，它們不僅會(huì)時(shí)不時(shí)地停下來不再收縮，并且收縮時(shí)的頻率也降低了不少。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[4]）

重要的是，這樣的結(jié)果并不只出現(xiàn)在個(gè)別水母。在他們觀察的全部23只水母中，都一致地出現(xiàn)了 白天明顯比夜間更活躍的現(xiàn)象 。在白天，它們平均每分鐘收縮58次，在晚上則平均每分鐘收縮39次。

睡眠時(shí)的另一個(gè)特征是對(duì)外部世界的刺激反應(yīng)降低。要測(cè)試水母在晚上是不是也有這個(gè)特點(diǎn)，三位博士生也大開腦洞，根據(jù)仙女水母的習(xí)性“量身打造”了一款獨(dú)家檢測(cè)法。

仙女水母也天生喜歡“宅”—— 無論白天還是晚上，只要有突然而來的外力把它們從舒適的“床” 上（海底）拽起來，它們都會(huì)趕緊游回去。因此，測(cè)試反應(yīng)速度的方法，就是檢查仙女水母突然漂浮起來后，再游回去時(shí)的反應(yīng)會(huì)有多快。

他們把一只仙女水母放在一個(gè)有底的小管中，一并放在水箱中。每次測(cè)量時(shí)，他們會(huì)把小管慢慢提起、然后瞬間放下，這時(shí)水母就因?yàn)閼T性而漂浮在半空中。隨后，他們會(huì)記錄下水母回到小管的底部的時(shí)間。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[4]）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，比起白天時(shí)，在夜里“睡得迷迷糊糊”的水母果然需要更多時(shí)間才能意識(shí)到自己不在原位，同時(shí)也需要花更長(zhǎng)時(shí)間才能游回管底。也就是說， 水母在晚上對(duì)外界刺激的反應(yīng)確實(shí)變慢了 。

要驗(yàn)證“熬夜”對(duì)水母的影響，首先遇到的難處是該怎樣讓水母“失眠”呢？畢竟，仙女水母?jìng)兗炔粫?huì)熬夜刷手機(jī)，也不會(huì)趕deadline，有什么理由“失眠”呢？

不過，在三位思(sang)如(xin)泉(bing)涌(kuang)的博士生看來，這也不是什么難事。他們很快找到一種的方法：“可勁兒折騰它們”——只要每20分鐘用水流把可憐的小水母吹起來并持續(xù)10秒鐘，就可以讓它們整晚上睡不安穩(wěn)。

（參加“熬夜”試驗(yàn)的（可憐的）仙女水母 (5x真實(shí)速度)。圖片來源：參考文獻(xiàn)[4]）

于是，他們用這種方法整晚地“折騰”仙女水母，然后記錄它們接下來的活躍程度。不出所料， “熬夜”第二天，水母?jìng)兊幕钴S度果然相比往常大幅下降；甚至在緊接著的第二天晚上，他們也比平時(shí)睡得更“沉”一些 。

作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，如果水母?jìng)兪窃诎滋煸獾搅?ldquo;折騰”，那對(duì)接下來的黑夜和白天，他們的活躍度就跟往常沒有什么很大的變化?？雌饋?，仙女水母?jìng)兊乃叽_實(shí)存在一個(gè)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制。

通過這三組實(shí)驗(yàn)，三人其實(shí)已經(jīng)證明了水母中存在一種非常接近于我們慣常稱為“睡眠”的行為。不過，他們想進(jìn)一步看看，這種行為在化學(xué)調(diào)控機(jī)制上，是否也與其他動(dòng)物的睡眠行為類似。

于是，他們嘗試著向水箱中加入脊椎動(dòng)物中常見的調(diào)控睡眠和光周期的分子： 褪黑色素(melatonin) 。這種分子還有一個(gè)更廣為人知的俗名——“腦白金”。對(duì)于大多數(shù)日間活動(dòng)的哺乳動(dòng)物來說，血清中的褪黑色素濃度會(huì)在白天降低、晚上升高，進(jìn)而調(diào)控全身的睡眠活動(dòng) [2] 。

（加入褪黑色素后，水母的活動(dòng)性很快降低。圖片來源：參考文獻(xiàn)[4]）

神奇的是，褪黑色素確實(shí)降低了仙女水母在白天的活躍度，而且降低程度也與褪黑色素的濃度成正比。也就是說， 褪黑色素這種參與了哺乳動(dòng)物睡眠調(diào)控的分子，可能具有驚人的演化上的保守性！

原來， “腦白金”并不是有腦動(dòng)物的專利，早在“腦”沒有出現(xiàn)時(shí)，褪黑色素就已經(jīng)在調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)的睡眠行為了！

上述一系列研究結(jié)果意味著，睡眠是動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)的一種不依賴于腦的、可以直接依托整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身的特性。這為科學(xué)家們理解“我們什么要睡覺”帶來新的思路。

這項(xiàng)研究也為睡眠的演化起源和原始功能等提供了重要的線索。這些或許可以為科學(xué)家們解開“動(dòng)物睡眠之謎”的終極課題提供一些幫助。

后記：

這項(xiàng)研究背后的故事也不同尋常。參與實(shí)驗(yàn)的三位博士生Ravi，Claire和Michael分別來自不同的實(shí)驗(yàn)室、不同的專業(yè)，也分別有自己的“正經(jīng)”的研究課題：

（從左往右依次是Ravi, Claire 與 Michael (攝影:John A De Modena )。Ravi平時(shí)研究線蟲睡眠行為的分子機(jī)制，Claire主業(yè)是通過蛋白質(zhì)工程手段為神經(jīng)科學(xué)開發(fā)工具，而Michael的主業(yè)則是研究生物組織的自我修復(fù) [3] 。）

三人一時(shí)興起商議了這個(gè)水母睡覺的小課題后，分別向各自的導(dǎo)師匯報(bào)了這項(xiàng)“不務(wù)正業(yè)”的研究計(jì)劃。沒有想到，導(dǎo)師們對(duì)這個(gè)課題非常感興趣，支持他們購(gòu)置試驗(yàn)設(shè)備，并允許他們?cè)谖挥谥目瓶挤驑堑腟ternberg實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)閑置房間里搭起了小實(shí)驗(yàn)室 [2] 。

為了研究水母這種非典型模式生物，他們從頭開始，一步步地開發(fā)了一整套記錄水母行為、分析的方法，并最終用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)手段證明了水母有類似睡眠的行為。這項(xiàng)課余的研究成果最終發(fā)表在頗有名望的學(xué)術(shù)期刊《當(dāng)代生物學(xué)》上 [3] 。

以線蟲為模型模擬的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，讓機(jī)器人無需訓(xùn)練即可自動(dòng)避開障礙物。圖片來源：ifanr

誰又知道， 那些今天看起來不知疲倦的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也會(huì)在未來某天，學(xué)會(huì)睡覺呢？

*感謝小柒老師及陳欣泓、石悅琳兩位同學(xué)對(duì)本文修改提供的幫助。

作者名片

排版：小爽

題圖來源：Pixabay

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 褪黑色素也經(jīng)常作為補(bǔ)劑，輔助睡眠不佳或者正在倒時(shí)差的人群。不過，由于褪黑色素易降解等原因，有效給藥非常困難。目前褪黑色素主要以審查更為寬松的“保健品”而非“藥品”出現(xiàn)在市場(chǎng)上。盡管在商業(yè)上非常成功，這些褪黑色素類產(chǎn)品是否能真的改善睡眠在學(xué)界還沒有定論、仍是有爭(zhēng)議的話題。

[3] Conflict of interest：本文作者間接受益于本課題，曾多次使用該課題所購(gòu)置的豪華臺(tái)式機(jī)用于圖像處理任務(wù)。Claire是本文作者在Arnold/Gradinaru lab輪轉(zhuǎn)時(shí)的mentor，給過本文作者巨大幫助。

[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.  ** 該論文是本文主要內(nèi)容的來源。

[5] Artist:Bruno Murai