動物為什么要睡覺?一直醒著會發(fā)生什么?

喵奴　Cathy

睡眠對于我們?nèi)祟悂碚f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。但是對于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，這對于野生動物可能是致命的。

那為什么機體對睡眠的需求并沒有被“淘汰”，反而存在于地球上幾乎所有生物中呢？最近，來自以色列的Lior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，并在斑馬魚上找到了支持這個假說的證據(jù)。

被選中的斑馬魚

你也許會問，科學(xué)家為什么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(xué)家廣泛研究，用來揭示具有普遍規(guī)律生命現(xiàn)象的機制的生物）。它們?nèi)硗该鳎虼丝茖W(xué)家可以觀察正常生理狀態(tài)下活斑馬魚（不用宰了再看）的神經(jīng)元變化。同時，斑馬魚大腦的結(jié)構(gòu)與人類十分類似，得到的研究結(jié)論對于理解人類大腦的相關(guān)機制也具有參考價值。

對于哺乳動物來說，是不是處于睡眠狀態(tài)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。那么，如何判斷魚類是否在睡覺呢？這可難不倒腦洞大、執(zhí)行力強的科學(xué)家們。早在多年前，科學(xué)家就已經(jīng)建立起了斑馬魚行為學(xué)觀察系統(tǒng)，通過觀察斑馬魚的行為，對它們的睡眠狀態(tài)進行了定義：睡眠中的斑馬魚運動量降低（不動的時間超過1分鐘），同時對外界的刺激反應(yīng)更慢（科學(xué)家稱之為“睡眠喚起閾值更高”）。通過觀察和記錄斑馬魚的活動情況，科學(xué)家就能知道它們究竟是處于睡覺還是在清醒的狀態(tài)。

Lior團隊通過觀察斑馬魚的睡眠行為，發(fā)現(xiàn)了睡眠對于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(jīng)元會不斷積累DNA損傷。這些DNA損傷是哪兒來的呢？其實，很多因素都可以造成神經(jīng)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(jīng)元生理活動也會造成DNA損傷。舉個例子，一只小老鼠在本能的驅(qū)使下探索新環(huán)境的時候，也會造成神經(jīng)元DNA損傷。

那么，神經(jīng)元的DNA損傷會這樣一直積累下去嗎？Lior團隊發(fā)現(xiàn)，斑馬魚在清醒的時候，會大量積累損傷DNA，但是到了睡覺的時候，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，那么，到底是什么在清除這些DNA損傷呢？

根據(jù)之前的研究發(fā)現(xiàn)，一些染色體動力學(xué)活動（例如染色質(zhì)編排）和大量生物節(jié)律相關(guān)基因的表達有關(guān)。研究者腦洞大開，認為DNA損傷和染色體脫不了關(guān)系，所以他們設(shè)計了一系列實驗，驗證了睡眠、DNA損傷和染色體動力學(xué)之間的關(guān)系。

清醒需要付出“代價”

Lior團隊發(fā)現(xiàn)，斑馬魚神經(jīng)元染色體在晚上會更活躍，而在失眠（被人為剝奪睡眠）4小時的晚上，神經(jīng)元染色體的動力學(xué)水平驟降。另外，在“被迫睡眠”（褪黑素處理）3小時的白天，斑馬魚神經(jīng)元染色體動力學(xué)水平明顯上升。這些研究結(jié)果表明，睡眠的確與斑馬魚神經(jīng)元染色體動力學(xué)水平相關(guān)。

研究者還觀察比較了DNA損傷及染色體動力學(xué)水平在晝夜節(jié)律中的變化，發(fā)現(xiàn)二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(xué)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(xué)水平的相關(guān)性。

為了進一步研究睡眠、DNA損傷和染色體動力學(xué)之間的因果關(guān)系，Lior團隊進行了接下來的實驗。

首先，研究者排除了由于神經(jīng)元活動升高直接引起染色體動力學(xué)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(jīng)元活動。結(jié)果表明，即便神經(jīng)元活動下降了，染色體還是該干啥干啥，動力學(xué)水平并沒有任何變化。這說明神經(jīng)元活動并沒有直接引起染色體動力學(xué)水平的變化。

接下來，Lior團隊開始摩拳擦掌地驗證睡眠、DNA損傷和染色體動力學(xué)水平之間的直接關(guān)系。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(dǎo)致DNA雙鏈斷裂的化合物依托泊苷（etoposide，ETO），同時觀察斑馬魚染色體動力學(xué)水平、DNA損傷和睡眠的情況。

他們發(fā)現(xiàn)，在白天加藥2小時后，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(xué)水平并沒有明顯的變化;撤走ETO 1小時后，斑馬魚的睡眠時間開始增加，而染色體動力學(xué)水平卻沒有明顯的變化;在斑馬魚的睡眠時間增加l小時后，染色體動力學(xué)水平提高了2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，并且染色體動力學(xué)水平出現(xiàn)明顯的下降。這說明，神經(jīng)元DNA損傷與染色體動力學(xué)水平的提高并不是同時發(fā)生的。白天引起的DNA損傷積累到一定程度會誘導(dǎo)斑馬魚進入睡眠狀態(tài)，而睡眠會引起染色體動力學(xué)水平的提高，從而導(dǎo)致DNA損傷水平漸漸下降。

Lori團隊提出的睡眠作用機制清醒狀態(tài)下（天平左側(cè)），DNA損傷（DSBs）不停積累（黃色標注增多），染色體動力學(xué)水平（Chromosome dynamics）低（藍色曲線長度變化小）：睡眠狀態(tài)下（天平右側(cè)），染色體動力學(xué)水平升高（藍色曲線長度變長），DNA損傷水平降低（黃色標注減少）（圖片來源《Nature Communications》）

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(fù)馬路的最佳時間是車少的晚上一樣。睡眠對于大腦（道路）有益，是因為睡眠時染色體動力學(xué)水平提高（修路），而這種動態(tài)水平的提高是白天積累的DNA損傷（磨損）清除的必要因素。

雖然，同樣的情況并未發(fā)生在神經(jīng)元以外的細胞里（如表皮細胞和施萬細胞），但這也足以體現(xiàn)了睡眠對于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(jié)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。