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Science子刊解谜:先有的大脑,还是先有的睡眠?

2021-01-14  lindan9997

中国生物技术网

中国生物技术信息网官方账号9小时前

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小到线虫、节肢动物,甚至是无脑动物水母,大到包括我们人类在内的哺乳动物,睡眠行为广泛存在于动物世界中。然而,对于漫漫进化过程中睡眠的起源及其调节机制一直是神经科学领域最大的谜团之一。因此,有一个烧脑的问题也随之而来,即:到底是先有的大脑,还是先有的睡眠?

近日,发表在《Science Advances》上的一项研究中,来自日本九州大学韩国国立蔚山科学技术院领导的研究团队通过对原始水生生物的研究,或许找到了这一问题的答案。这项新研究表明,这些微小的动物尽管没有大脑也能进入睡眠样状态。这让我们又进一步了解了很多动物是如何进化出睡眠需求和能力的。更重要的是,研究人员发现,导致人类昏昏欲睡的化学物质对普通水螅也有同样的影响,这表明不同物种之间存在着生物学联系,尽管我们之间存在着巨大差异。

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水螅(Hydra vulgaris)是一种最低等的无脑腔肠动物,通常生活在水流缓慢、水草丰富的淡水中。它分布极广,容易采集和培养,是较为理想的生物学实验材料。

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水螅(Hydra vulgaris)

研究通讯作者、日本九州大学的生物学家Taichi Itoh说:“我们现在有强有力的证据表明,动物在拥有大脑之前就已经有了睡眠需求。根据我们的发现和先前对水母的研究,我们可以说睡眠进化是独立于大脑的

先前的几项研究已经发现,无大脑动物也有类似睡眠的行为,Itoh提到关于水母的研究就是其中之一。然而,水母的神经系统要比水螅更为发达,而且它们似乎遵循了昼夜节律。

因此,研究人员不确定他们会在更低等的水螅样本中发现什么,这些水螅也有神经,但只是在一个原始的、分散的组织中。

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实验水螅

研究人员通过一个视频分析系统来追踪水螅的运动,并用一个发光二极管作为“闹钟”。他们观察到这些小动物平均每四小时进入一个睡眠周期。这看起来比我们人类的困倦感要来得更快一些。

研究人员发现,将水螅暴露于促进睡眠的褪黑素和抑制性神经递质GABA它们的睡眠时间会延长不可思议的是,将它们暴露于通常使我们更加兴奋和清醒的多巴胺中,水螅的睡眠不减反增。

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这些反应为研究人员提供了更多线索,阐明在发育出大脑前后,睡眠是如何在动物世界中进化的。研究人员表示,目前还不清楚水螅体内紊乱的神经系统是否起作用。

Itoh说:“虽然一些睡眠机制似乎是保守的,但其他的可能在大脑进化过程中发生了功能改变。”

不出所料,进一步的“动荡”和温度变化实验扰乱了水螅的睡眠,就像人类的反应一样,在受到干扰后,它们第二天的睡眠时间更长,甚至睡眠剥夺也干扰了水螅的细胞增殖

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研究人员发现,睡眠剥夺改变了212个基因的表达,其中一个叫做PRKG基因,这是一种与包括小鼠和果蝇在内的许多动物睡眠模式有关的蛋白质。进一步的研究可能会揭示出与普遍睡眠过程相关的通用基因。

Itoh说:“关于动物的睡眠是如何产生的,还有许多问题有待解决,但水螅是一种易于操作的生物,可以进一步研究无脑动物睡眠的详细机制,以帮助我们在未来解答这些问题。”

论文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabb9415

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