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小鱼儿是如何睡觉的?

2019-07-22 点击:1033
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科学家们首次利用神经(绿色)或肌肉活动时发出的荧光分子来监测鱼在睡眠时的大脑活动。

一项发表在7月10日的杂志0x9A8b上的新研究表明,斑马鱼在睡眠中的大脑活动与哺乳动物的深度慢波睡眠和快速眼动睡眠(REM)相似,斯坦福大学医学院的研究小组可能发现了触发REM的细胞。

哺乳动物、鸟类和蜥蜴的睡眠分为几个阶段,每个阶段都有特定的电特性。在慢波睡眠中,除了同步波活动外,当心率降低和肌肉放松时,大脑基本上是安静的。在REM或异形睡眠中,大脑非常活跃,几乎和清醒时一样,但肌肉松弛(除了快速的眼睛转动),心脏不规则地跳动。

多年来,科学家们已经知道果蝇、线虫、鱼、章鱼和其他有机体都有睡眠障碍。但是到目前为止,还没有人能够测量这些动物大脑中的电活动来确定它们的睡眠是否与哺乳动物的睡眠相同。

梁和他的同事开发了一个系统,利用基因工程在斑马鱼身上产生荧光分子。这种分子在遇到钙时发光,而神经和肌肉细胞在活动时释放钙。后来,研究人员使用光学显微镜跟踪荧光的表达,然后跟踪斑马鱼(它们本身是透明的)的大脑和肌肉活动。

接下来,研究人员在哺乳动物中添加了引发慢波睡眠或快速眼动睡眠的药物,或剥夺了夜间睡眠的斑马鱼,或让他们在白天做了很多活动并且疲惫不堪。人们发现,当鱼在睡觉时,有两种不同类型的大脑活动:慢波睡眠,其特征是大脑中某些神经细胞短暂爆发,研究人员称之为“慢速睡眠”;另一种类似于REM,研究人员将其称为“弥漫波睡眠”,其特征是活跃的大脑活动像大脑中的波一样传播。但研究人员没有把这个睡眠阶段称为REM或慢波睡眠,因为鱼和哺乳动物的睡眠方式存在一些微妙的差异。

大脑深处的一组称为“腔室”的细胞似乎会引发像REM这样的大脑活动。这些室管膜细胞将手指纤毛浸入覆盖脑室和中枢神经系统的脑脊液中。已经发现,随着体液中众所周知的促进睡眠的激素黑色素浓缩激素的含量增加,这些细胞的纤毛将跳得更快。

尚不清楚室管膜细胞如何与大脑的其他部分进行通信,从而引发类似REM的活动。这些细胞也存在于哺乳动物中,但没有人能够穿透睡眠哺乳动物的大脑以确定这些细胞是否在睡眠中起作用。但梁说,了解这些细胞可能有助于研究人员开发出更好的助眠剂。

像哺乳动物一样,斑马鱼的整个身体在睡眠期间受到影响。他们的肌肉在睡眠期间会放松,心脏从清醒时的每分钟200下降到慢波睡眠时的每分钟110到120分钟。在类似REM的睡眠中,心脏的跳动速度甚至会降低到每分钟约90次,失去正常的节奏并完全放松肌肉。 “但斑马鱼不具备快速眼球运动的特征。相反,它们的眼球会回到眼窝中,”斯坦福大学医学院的生物学家,该研究的共同作者Philippe Mourrain说。

宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的睡眠研究员艾伦帕克说,缺乏眼球运动可能表明斑马鱼脑部负责情绪加工的部分,如杏仁核,并不像哺乳动物那样活跃。 “通过监测大脑活动,研究人员将睡眠研究提升到了一个新的水平,他们提供了相当有说服力的证据,证明斑马鱼中存在慢波睡眠和类似REM的睡眠。”华盛顿大学医学院的神经科学家Paul Shaw说研究人员斑马鱼在睡眠期间的整体参与记录巩固了其认为睡眠模式与哺乳动物相似的观点。他说,在所有已知睡眠的生物中,“睡眠存在于身体的每个部位。”

未来的实验可能揭示为什么睡眠不足或睡眠不足会导致健康问题,如肥胖,心脏病和糖尿病。

原编:华华评论:西莫编辑:张萌

期刊来源:《自然》

期刊号:0028-0836

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