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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(jī)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(jī)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(tuán)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)[1]。  被選中的斑馬魚 你也許會問，科學(xué)家們?yōu)槭裁匆冒唏R魚做研究對象呢？其實(shí)，斑馬魚是一種典型的“模式生物”（被科學(xué)家們廣泛研究， 用來揭示具有普遍規(guī)律生命現(xiàn)象的機(jī)制的生物）。他們?nèi)硗该?，因此科學(xué)家們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(jī)制也具有參考價值。
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(shí)：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損傷是哪來的呢？其實(shí)，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。舉個栗子，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[4]。 那么，神經(jīng)元的DNA損傷會這樣一直積累下去嗎？Lior團(tuán)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(dá)有關(guān)[5]。研究者們腦洞大開，認(rèn)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(shí)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(tuán)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）四小時的晚上，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）三小時的白天，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)。 研究者們還觀察比較了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)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(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(jìn)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(tuán)隊進(jìn)行了接下來的實(shí)驗（繼續(xù)折騰這些斑馬魚）。  DNA損傷水平以及染色體動力學(xué)水平呈相反的變化趨勢（圖中橘線是染色體動力學(xué)水平，藍(lán)線是DNA損傷水平） | 參考文獻(xiàn)[1]首先，他們排除了由于神經(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(tuán)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（損）的辦法（斑馬魚：放過我吧……）：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)，在白天加藥兩個小時后，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后一小時后，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一小時后，染色體動力學(xué)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，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(jìn)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(tuán)隊提出的睡眠作用機(jī)制：清醒狀態(tài)下（天平左側(cè)），DNA損傷（DSBs）不停積累（黃色標(biāo)注增多），染色體動力學(xué)水平（chromosome dynamics）低（藍(lán)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(lán)色曲線長度變長），DNA損傷水平降低（黃色標(biāo)注減少） | 參考文獻(xiàn)[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(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[1]。 雖然，同樣的情況并未發(fā)生在神經(jīng)元以外的細(xì)胞里（如表皮細(xì)胞和施萬細(xì)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(bǔ)我們清醒時用大腦進(jìn)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(bǔ)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）。 |
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