海绵宝宝说晚安:没有大脑的动物也需要睡觉吗?

​I wake up to sleep while others sleep to wake up.

撰文 | Kestrel

在南加州海岸附近的巨型褐藻林中,有种看起来像微缩南瓜的生物,叫做马勃菌海绵(Tethya californiana )。过去倒也没人关注这东西,直到2017年,加州大学圣迭戈分校(UCSD)的神经生物学家William Joiner决定来研究一下:它们是否会睡觉。

图1. 马勃菌海绵(Tethya californiana )|By Ed Bierman – Flickr: Puffball Sponge, Tethya aurantia, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18999005

乍一听,你可能觉得这个问题挺蠢的。脑子都没有,睡什么觉?但这几年,一些对线虫、水母和水螅的研究冲击着传统观点——“睡眠是有脑动物的专享特权”。宾夕法尼亚大学的神经科学家David Raizen说:“现在,寻找没有神经细胞但又会睡觉的动物才是睡眠领域的前沿。”

而海绵动物是地球上最早出现的动物类群之一,是打破传统观点的最佳候选人。抓到一只打瞌睡的海绵,可能会直接颠覆学界对睡眠的定义,改变我们对睡眠目的理解。

科学家一般将睡眠定义为“暂时失去意识的状态”,这一状态由大脑所主导,对大脑有好处。所以,研究无脑动物的“睡眠”是有争议的。不少人就认为,水母和水螅身上看到的无反应状态只能称为“睡眠样状态”,不能叫“睡眠”。他们不相信这些动物都会睡觉,至少不可能像人类一样睡觉。

显然,这涉及到该如何定义睡眠。低等动物当然不可能表现出像我们那样的睡眠特征,但是,假如从水母到人类,有部分睡眠相关的分子机制都具有一定的保守性,我们就可以把水母的无反应状态称为“原睡眠”。“原睡眠”,就意味着它和“睡眠”在演化上有关联。

图2. 各类群代表动物的睡眠特征情况[1]

学界一直普遍认为,睡眠是伴随脊椎动物的演化出现的。但也有其他科学家持不同的观点,他们认为,睡眠在最原始的动物出现之后就有了。

“只要是活着的就会睡觉。”华盛顿大学神经科学家Paul Shaw提到,最早的生物形式是从没有反应演化出能对外界环境作出反应,而睡眠是回归到“默认状态”(default state)。Shaw认为:“我们并非演化出了睡眠的功能,而是演化出了觉醒的功能。”

——等等!这句话是不是在哪里听过?有没有想起《盗梦空间》里男主寻找强效催眠剂的时候和地下室老者的对话?

“他们每天都来睡觉?”

“不。他们来这儿是为了醒过来。梦境已经成为了他们的现实世界。”

图3. 《盗梦空间》相关场景

这种观点貌似有些玄乎,但更有意思的地方,是它隐藏的前提:真的存在没有所谓“觉醒功能”的动物吗?植物之所以为植物,真菌之所以为真菌,与它们没有演化出“觉醒功能”有关系吗?

倘若真如此,人类、啮齿类和其它脊椎动物的睡眠行为就是一种适应机体需要以及生活方式的、高度进化的睡眠形式。要研究睡眠行为的本质,直接从这些高等动物中恐怕难窥堂奥,还是得去更简单、更原始的动物类群里面去找睡眠的基本形式。

因此,研究者从果蝇、线虫找到海绵,又从海绵找到扁盘动物(placozoan,一类变形虫样的多细胞动物)[2]……他们发现,睡眠远不止对脑有好处,肌肉、免疫系统以及肠道都可以从中分一杯羹。这些工作可能会让睡眠领域的焦点从睡眠对复杂认知过程的影响转移到对基本细胞活动的影响上来。

早期,睡眠的定义来自于它对人“行为的改变”:躺下,闭眼,不动,对外在世界失去觉察——这就是睡眠了。不睡觉的后果也很明显,比如开会无法集中注意力,甚至开车的时候会打盹。

上个世纪五六十年代,研究者们渐渐都接受了多导睡眠图(polysomnography),这种技术能同时测量大脑活动、眼动和肌张力等指标,打造出了定义睡眠状态的金标准。神经科学家将电极放在头皮表面,记录脑电活动,将人类的睡眠过程分为两个阶段:快速眼动睡眠(rapid eye movement,REM)以及非快速眼动睡眠(non-REM),前者是一般梦产生的阶段,而后者以同步化的慢波脑电为特征。

图4. 人的多导睡眠图(示意)[3]

以往的行为和生理实验早已表明,动物的睡眠特征是多样的。牛和其它大型食草动物站着睡觉;海豚可以边睡觉边游泳,还有一些鸟可以边睡觉边飞行,让一半大脑打着盹,另一半继续工作。蝙蝠一天大概睡20个小时,而野象只睡2个小时。

同时,绝大多数用电生理技术研究过的动物,睡眠都至少包含两个阶段,尽管每种动物的细节特征可能有所不同。章鱼睡眠时体表颜色会变,看起来它的睡眠也是分阶段的。

世纪之交,来自哺乳类以外的动物的睡眠证据纷纷浮出水面,推动科学家们开始挖掘演化树更基部的物种。自然,他们首先就得确定该怎样定义这些更简单的物种的睡眠。水母睡觉的时候跟醒着看起来没什么差别,但你又不能往它们身上贴电极。研究者必须找出这些物种休息的时间和地点,搞清楚它们睡觉时会停止哪些行为;有时候还得戳一戳,确保它们没反应;另外还得看看剥夺睡眠对它们有何影响。

2017年,加州理工大学的研究生Michael Abrams和两位同学用仙后水母(Cassiopea)做了一个实验。仙后水母喜欢呆在海底,触手搏动着往上指,好让共生的光合微生物照到更多阳光。他们发现,触手在夜里搏动的频率从每分钟60次掉到每分钟39次。

为了进一步验证这些水母是否真的“睡着了”,他们搭了个假的“海底”,在实验中把水母下面的垫子抽开,看看水母发现海底降低了会有什么反应。结果,夜间的水母看起来“昏昏沉沉的”,游到新的海底的速度比白天慢。他们又制造水流骚扰水母,结果这些水母第二天表现得不太活跃,好像失眠过似的。最后,给水母用褪黑素(一种调节生物钟的激素),触手搏动的频率掉到了夜间水平,就好像人服用褪黑素助眠一样。注意,水母是没有真正的脑的,它只有一圈神经细胞丛,分布在钟状部分的边缘。

图5. 水母的神经元分布(左,染成深色)及神经系统示意图(右)[4]

后来,研究者又抓到了没有脑却会打盹的动物——水螅(Hydra vulgaris),它与水母同属刺胞动物门。日本九州大学生物钟专家Taichi Itoh等人把水螅放在实验室的12小时光暗交替周期下,拍摄它们的触手扭动的情况,结果发现,光线暗的时候触手会扭得慢一些[5]

​上水母和水螅的研究沿用的是过去的标准,把“反应性降低”作为睡眠的表现。此外,也有一些科学家开始关注分子层面,在促进睡眠的信号通路中寻找发挥作用的基因。例如,2020年,Itoh团队曾报道在被“剥夺睡眠”的水螅中,有200多个基因的活性发生改变;其中有的基因在果蝇的睡眠中也起着作用[6]

斯坦福大学神经生物学家Philippe Mourrain说,“我们对睡眠概念的定义从行为和生理的角度越来越多地转向细胞和分子的角度。睡眠定义的角度越广,我们越接近对其功能的全面理解。”

对于有脑的动物,睡眠自然对脑有益处,比如巩固记忆、允许脑脊液冲洗掉有毒的代谢废物,甚至可能帮助维持脑的突触可塑性[7]。但是这些理由对于没有脑的动物说不通。“既然睡眠特征这般保守,它可能还有更基本的作用,也就是维护基本的生理过程。” 宾夕法尼亚大学神经科学家Amita Sehgal评论道。

一些来自无脑动物的线索暗示,睡眠是为能量收支与代谢而设的。Raizen团队发现,秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)仅在代谢需求高的时候打盹;它的幼虫在蜕皮的那一两个小时会处于一种类似睡眠的“蔫蔫的 ”状态。当高温或紫外线照射引起线虫的应激反应时,它们也会“蔫蔫的”。团队还发现,一个叫盐诱导激酶3(salt-inducible kinase 3)的蛋白和睡眠、代谢有直接关联。这个蛋白能调控哺乳动物的睡眠,而在线虫中,则可以调动脂肪储备,提高线虫的能量代谢水平[8]。在水螅当中,Itoh团队也发现了一个既影响代谢又调控睡眠的基因。

睡眠剥夺研究也表明睡眠会影响代谢。Sehgal发现了一种睡眠减少的突变体果蝇,它们的氮元素代谢异常,导致蛋白质周转(合成与降解)和含氮废物处理也不正常,最终导致体内积累多胺,造成DNA和RNA损伤。换言之,当我们被剥夺睡眠的时候,受累的可不仅仅是大脑

例如,2020年,哈佛大学医学院生物学家Dragana Rogulja就在《细胞》(Cell)杂志发表研究,称睡眠剥夺似乎会影响果蝇和小鼠的肠道——导致活性氧类(reactive oxygen species,ROS)积累,损伤细胞DNA和其他胞内物质,引起细胞死亡。Rogulja猜测,肠道作为多细胞动物中最早演化出来的器官之一,可能是睡眠最原本的受益者;而随着动物演化得越来越复杂,睡眠才发展出这么多新功能。

如此一来,要搞清楚睡眠的本质,就得要研究更原始的、连肠道都没有的物种了。Raizen决定研究扁盘动物(placozoan)——一类芝麻粒大小、又圆又扁的透明生物,只有两层细胞,两面都有纤毛。扁盘动物没有神经细胞,细胞间通过化学信号沟通以协调纤毛的运动。可以说,除了某些寄生物,扁盘动物就是地球上最简单的动物了。

图4. 扁盘动物,顾名思义形似扁平的盘子,一般直径一毫米左右,厚度大约只有25微米,运动起来像放大版的变形虫。它们没有组织和器官层次,身体亦无显在的对称性,只有六类总共几千个细胞形成三层结构。[9-10]

扁盘动物在潮位线的石头上到处爬,碰到微藻类就停下来进食。汉诺威兽医大学的演化生物学家Bernd Schierwater认为,扁盘动物慢下来的行为代表着睡眠节律演化的第一步,让它们为下一个进食循环蓄力。扁盘动物缺乏高功耗的神经元,对它们来说,这样可能就够了。

在发现水螅和水母会睡眠之前,神经科学家Carolyn Smith也曾觉得扁盘动物会睡觉的想法很愚蠢。可是现在,她甚至怀疑,这些扁盘动物原地转圈的行为也是一种形式的睡眠。暴露在紫外光下,扁盘动物会有畏缩反应,利用这点,用紫外光照射就能弄清它们是不是处于“睡着”的无反应状态。

不过,简单的动物未必容易养活。Smith为Raizen提供了一些扁盘动物样品,但它们太挑食,全都挂了。Joiner在研究马勃菌海绵时也遇到类似的问题。他与Scripps海洋学研究所的生物学家Greg Rouse合作,精心照料这些海绵,每天上班路上都在海边为它们打一些海水,因为马勃菌海绵需要吃海水里的微生物。他们把养海绵的水缸固定到恒温箱里,控制光照和温度,最后,他们往水缸里加入了磁力搅拌子,终于能够让海绵保持在比较健康的状态。

Joiner和Rouse在水缸上方架了一台数码相机,记录海绵滤食的时候身体的轻微收缩。结果显示,水缸里的海绵大概每3个小时收缩一下。这个发现意味着研究者终于找到了一个可靠的、能用来监测海绵睡眠变化的行为特征

澳大利亚昆士兰大学圣卢西亚分校的海洋生物学家Sandie Degnan和Bernard Degnan研究的则是另一种海绵:分布于大堡礁的海绵Amphimedon queenslandica。这是首个被全基因组测序的海绵动物,它身上有几个基因,在其它物种中的同源物表达水平以24小时为周期震荡[11]。如今,Degnan团队观察到,这种海绵的收缩可能有昼夜节律,而且局部海绵既使在白天也不会泵水,好像是才上完夜班在补觉似的,这与睡眠已经很接近了[1]。他们认为,海绵的周期性休憩可能是为了重新组织自身细胞、让自身细胞恢复活力,毕竟它们在一天中泵出了大概相当于自身体积1000倍的水。

接下来,研究人员打算用谷氨酸(在高等一些的动物中是一种兴奋性神经递质)或者其它药物让海绵数日乃至数周无休止地泵水,然后看看它们健康状况是否会受到影响。如果有影响,就可以说明多细胞动物需要有这样的周期行为来给组织的修复和再生留出时间。

如果全身的细胞都能从睡眠中获益,我们就可以合理地假设,全身细胞对“何时睡眠”都有发言权。如此一来,研究睡眠控制的深层机理,可能会为治疗睡眠障碍指出新的方向。毕竟,单单在美国,睡眠障碍就影响着六千万人的生活。

加州大学洛杉矶分校(UCLA)的神经生物学家Ketema Paul研究了一种名为Bmal1的蛋白。Bmal1广泛存在,能够调控基因表达,还可以让被剥夺睡眠的小鼠保持清醒。直到现在,研究者们都认为,这就是大脑产生Bmal1蛋白的目的。但是,Paul团队发现,被剥夺睡眠的小鼠体内的Bmal1其实是由肌肉产生的[12]!他猜测,这个蛋白可能是一条信号通路的一部分,让大脑把肌肉的疲劳程度和大脑产生的睡意偶联起来。

其它用小鼠做的研究曾显示,消化道、胰和脂肪组织能产生信号分子,影响睡眠的起止。这些信号分子被称为神经激素(neurohormone)。显然,了解这些器官对大脑的反馈信号通路,可能为治疗睡眠障碍找到新的药物,新药不再仅仅作用于大脑,而是可以靶向其它部位。Paul就认为,将来可能会有一种靶向肌肉的Bmal1药物,可以对抗通宵熬夜带来的不良影响。

十五年前,Mourrain刚开始研究鱼的睡眠的时候,许多人都觉得鱼类是不睡觉的。直到两年前,他的团队研制了适用于鱼类的多导睡眠图,并用这项技术发现,鱼——类似于人类——也会经历安静和活跃的睡眠状态[13]。“这是我们领域的一个转折点,”Mourrain说,“它能够说服怀疑论者,在睡眠领域,鱼类堪比哺乳动物,也是很好的动物模型。”

现在,Mourrain的团队正在开发一种新的实验方法,可以观察信息是怎样一个细胞、一个细胞传递的。他们选择了大拇指甲盖大小的透体小鱼(Danionella translucida),在它身上使用荧光或者其它类型的标记物追踪鱼脑与躯体,观察不同类型的细胞是如何随着时间控制睡眠的,并从中获益的。

图7 通体透明的小鱼(Danionella translucida),体长仅1厘米上下[1]

那么,既鱼类之后,马勃菌海绵是能否成为下一种驳斥怀疑者的动物呢?可能没那么快——它们在实验室环境下无法维持足够久的健康状态,难以得出可靠的实验数据,研究团队一直在折腾搭装置的事儿。然后,新冠疫情就暴发了,实验不得不停下来,现在甚至找不到足够的人手来重启实验。

那前面提到的会扭动触手的水螅能不能作为候选人呢?让我们拭目以待。

参考文献

[1] Pennisi, E. (2021). The simplest of slumbers. Science, 374(6567), 526-529. https://doi.org/10.1126/science.acx9444

[2] Anafi, R. C., Kayser, M. S., & Raizen, D. M. (2019). Exploring phylogeny to find the function of sleep. Nat Rev Neurosci, 20(2), 109-116. https://doi.org/10.1038/s41583-018-0098-9

[3] Liu, D., & Dan, Y. (2019). A Motor Theory of Sleep-Wake Control: Arousal-Action Circuit. Annu Rev Neurosci, 42, 27-46. https://doi.org/10.1146/annurev-neuro-080317-061813

[4] Weissbourd, B., Momose, T., Nair, A., Kennedy, A., Hunt, B., & Anderson, D. J. (2021). A genetically tractable jellyfish model for systems and evolutionary neuroscience. Cell, 184(24), 5854-5868 e5820. https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.10.021

[5] Kanaya, H. J., Park, S., Kim, J. H., Kusumi, J., Krenenou, S., Sawatari, E., Sato, A., Lee, J., Bang, H., Kobayakawa, Y., Lim, C., & Itoh, T. Q. (2020). A sleep-like state in Hydra unravels conserved sleep mechanisms during the evolutionary development of the central nervous system. Sci Adv, 6(41). https://doi.org/10.1126/sciadv.abb9415

[6] Artiushin, G., & Sehgal, A. (2017). The Drosophila circuitry of sleep-wake regulation. Curr Opin Neurobiol, 44, 243-250. https://doi.org/10.1016/j.conb.2017.03.004

[7] Lewis, L. D. (2021). The interconnected causes and consequences of sleep in the brain. Science, 374(6567), 564-568. https://doi.org/10.1126/science.abi8375

[8] Grubbs JJ, Lopes LE, van der Linden AM, Raizen DM (2020) A salt-induced kinase is required for the metabolic regulation of sleep. PLOS Biology 18(4): e3000220. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000220

[9] Eitel M, Osigus H-J, DeSalle R, Schierwater B (2013) Global Diversity of the Placozoa. PLoS ONE 8(4): e57131

[10] https://elifesciences.org/digests/36278/the-simplest-animals-have-a-complicated-past

[11] Jindrich, Katia, Roper, Kathrein E., Lemon, Sussan, Degnan, Bernard M., Reitzel, Adam M., and Degnan, Sandie M. (2017). Origin of the animal circadian clock: diurnal and light-entrained gene expression in the sponge Amphimedon queenslandica. Frontiers in Marine Science 4 (OCT) 327 . https://doi.org/10.3389/fmars.2017.00327

[12] Ehlen, J. C., Brager, A. J., Baggs, J., Pinckney, L., Gray, C. L., DeBruyne, J. P., Esser, K. A., Takahashi, J. S., & Paul, K. N. (2017). Bmal1 function in skeletal muscle regulates sleep. Elife, 6. https://doi.org/10.7554/eLife.26557

[13] Leung, L. C., Wang, G. X., Madelaine, R., Skariah, G., Kawakami, K., Deisseroth, K., Urban, A. E., & Mourrain, P. (2019). Neural signatures of sleep in zebrafish. Nature, 571(7764), 198-204. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1336-7

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