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Science子刊解謎：先有的大腦，還是先有的睡眠？

日期:2021-01-15

Science子刊解謎：先有的大腦，還是先有的睡眠？

小到線蟲、節(jié)肢動物，甚至是無腦動物水母，大到包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)的哺乳動物，睡眠行為廣泛存在于動物世界中。然而，對于漫漫進化過程中睡眠的起源及其調(diào)節(jié)機制一直是神經(jīng)科學領(lǐng)域最大的謎團之一。因此，有一個燒腦的問題也隨之而來，即：到底是先有的大腦，還是先有的睡眠？

近日，發(fā)表在《Science Advances》上的一項研究中，來自日本九州大學和韓國國立蔚山科學技術(shù)院領(lǐng)導的研究團隊通過對原始水生生物的研究，或許找到了這一問題的答案。這項新研究表明，這些微小的動物盡管沒有大腦也能進入睡眠樣狀態(tài)。這讓我們又進一步了解了很多動物是如何進化出睡眠需求和能力的。更重要的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，導致人類昏昏欲睡的化學物質(zhì)對普通水螅也有同樣的影響，這表明不同物種之間存在著生物學聯(lián)系，盡管我們之間存在著巨大差異。

水螅（Hydra vulgaris）是一種最低等的無腦腔腸動物，通常生活在水流緩慢、水草豐富的淡水中。它分布極廣，容易采集和培養(yǎng)，是較為理想的生物學實驗材料。

水螅（Hydra vulgaris）
研究通訊作者、日本九州大學的生物學家Taichi Itoh說：“我們現(xiàn)在有強有力的證據(jù)表明，動物在擁有大腦之前就已經(jīng)有了睡眠需求。根據(jù)我們的發(fā)現(xiàn)和先前對水母的研究，我們可以說睡眠進化是獨立于大腦的?！?/strong>
先前的幾項研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，無大腦動物也有類似睡眠的行為，Itoh提到關(guān)于水母的研究就是其中之一。然而，水母的神經(jīng)系統(tǒng)要比水螅更為發(fā)達，而且它們似乎遵循了晝夜節(jié)律。
因此，研究人員不確定他們會在更低等的水螅樣本中發(fā)現(xiàn)什么，這些水螅也有神經(jīng)，但只是在一個原始的、分散的組織中。

實驗水螅

研究人員通過一個視頻分析系統(tǒng)來追蹤水螅的運動，并用一個發(fā)光二極管作為“鬧鐘”。他們觀察到這些小動物平均每四小時進入一個睡眠周期。這看起來比我們?nèi)祟惖睦Ь敫幸獊淼酶煲恍?/span>
研究人員發(fā)現(xiàn)，將水螅暴露于促進睡眠的褪黑素和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)GABA中，它們的睡眠時間會延長。不可思議的是，將它們暴露于通常使我們更加興奮和清醒的多巴胺中，水螅的睡眠不減反增。

這些反應為研究人員提供了更多線索，闡明在發(fā)育出大腦前后，睡眠是如何在動物世界中進化的。研究人員表示，目前還不清楚水螅體內(nèi)紊亂的神經(jīng)系統(tǒng)是否起作用。
Itoh說：“雖然一些睡眠機制似乎是保守的，但其他的可能在大腦進化過程中發(fā)生了功能改變?！?/span>
不出所料，進一步的“動蕩”和溫度變化實驗擾亂了水螅的睡眠，就像人類的反應一樣，在受到干擾后，它們第二天的睡眠時間更長，甚至睡眠剝奪也干擾了水螅的細胞增殖。

研究人員發(fā)現(xiàn)，睡眠剝奪改變了212個基因的表達，其中一個叫做PRKG基因，這是一種與包括小鼠和果蠅在內(nèi)的許多動物睡眠模式有關(guān)的蛋白質(zhì)。進一步的研究可能會揭示出與普遍睡眠過程相關(guān)的通用基因。
Itoh說：“關(guān)于動物的睡眠是如何產(chǎn)生的，還有許多問題有待解決，但水螅是一種易于操作的生物，可以進一步研究無腦動物睡眠的詳細機制，以幫助我們在未來解答這些問題?！?/span>

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