海绵宝宝说晚安：没有脑的动物也需要睡觉？

我醒来睡觉，别人睡觉醒来。

在南加州海岸附近的巨型褐藻林中，有一种看起来像微型南瓜的生物，叫做马勃海绵过去没有人关注这种东西，直到2017年，加州大学圣地亚哥分校的神经生物学家威廉·乔伊纳决定研究它们是否会睡觉

乍一看，你可能觉得这个问题比较蠢我没脑子，怎么睡得着但最近几年来，一些关于线虫，水母和水螅的研究冲击了睡眠是聪明动物的专属特权的传统观点宾夕法尼亚大学神经科学家大卫·雷禅说，现在，寻找没有神经细胞但能睡觉的动物是睡眠领域的前沿

海绵是地球上最早的动物群体之一，是打破传统观点的最佳人选抓住一个打瞌睡的海绵，可能会直接颠覆睡眠的学术定义，改变我们对睡眠目的的认识

一般科学家对睡眠的定义是暂时无意识的状态，由大脑主导，对大脑有好处因此，研究无脑动物的睡眠是有争议的很多人认为水母和九头蛇看到的无反应状态只能称为类睡眠状态，而不能称为睡眠他们不相信这些动物都能睡觉，至少不能像人类一样睡觉

显然，这涉及到如何定义睡眠当然，低等动物不可能像我们一样表现出睡眠特征，但如果从水母到人类的一些睡眠相关的分子机制是保守的，我们可以把水母的无反应状态称为原睡眠原始睡眠是指与进化中的睡眠有关

2.以各种群为代表的动物的睡眠特征。

一直以来，人们普遍认为睡眠是伴伴随着脊椎动物的进化而产生的但是也有其他科学家持有不同的观点他们认为睡眠是在最原始的动物出现之后出现的

只要活着，就要睡觉华盛顿大学神经科学家保罗·肖提到，最早的生物形式是从无反应进化到能够对外界环境做出反应，而睡眠又回到了默认状态肖认为:我们并没有进化出睡眠的功能，而是觉醒的功能

—等等！你在哪里听过这句话吗你还记得《盗梦空间》里的男人和地下室的老人在寻找强力催眠药时的对话吗

他们每天都来睡觉。

不，他们是来这里醒来的梦成了他们的真实世界

3.与盗梦空间相关的场景

这个观点看起来有点玄乎，但更有趣的是它隐藏的前提:真的存在没有所谓觉醒功能的动物吗植物之所以是植物，真菌之所以是真菌，是否与它们没有进化出觉醒功能有关

如果是这样的话，人类，啮齿动物和其他脊椎动物的睡眠行为是一种高度进化的睡眠形式，适应身体和生活方式的需要要研究睡眠行为的本质，很难直接从这些高等动物身上窥见唐傲，或者说我们要去更简单更原始的动物群体中寻找睡眠的基本形式

因此，研究人员从果蝇和线虫中发现了海绵，从海绵中发现了扁虫...他们发现，睡眠远不止对大脑有好处，肌肉，免疫系统和肠道都可以从中分一杯羹这些努力可能会将睡眠的重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

在早期，睡眠的定义来自于它对人的行为改变:躺下，闭上眼睛，不动，失去对外界的意识——这就是睡眠不睡觉的后果也是显而易见的，比如开会时无法集中注意力，甚至开车时也无法打盹

在20世纪五六十年代，研究人员逐渐接受了多导睡眠图，它可以同时测量大脑活动，眼球运动和肌肉紧张度，创造了定义睡眠状态的黄金标准神经科学家将电极放在头皮表面记录脑电活动，并将人类的睡眠过程分为两个阶段:快速动眼期和非REM前者是一般梦的阶段，后者的特征是同步慢波脑电图

图4。人的多导睡眠图

以往的行为和生理实验表明，动物的睡眠特征是多样的奶牛和其他大型食草动物站着睡觉，海豚睡觉的时候可以游泳，有的鸟睡觉的时候可以飞翔，这样大脑一半打瞌睡，另一半继续工作蝙蝠每天大约睡20个小时，而野生大象只睡2个小时

同时，电生理学研究过的大多数动物至少有两个阶段的睡眠，尽管每种动物的详细特征可能不同章鱼睡觉的时候体表颜色会发生变化，看来它的睡眠也是有阶段性的

在世纪之交，除了哺乳动物，其他动物也有睡眠的证据浮出水面，这促使科学家开始挖掘进化树底部的物种自然，他们首先要确定如何定义这些简单物种的睡眠水母睡着的时候和醒着的时候看起来是一样的，但是你不能在它们身上贴电极研究人员必须找出这些物种休息的时间和地点，找出它们睡觉时停止的行为，有时候你得戳戳他们，确保他们没有反应，我们还必须了解睡眠不足对他们的影响

2017年，加州理工学院研究生迈克尔·艾布拉姆斯和两名学生用女王仙女水母做了一个实验女王水母喜欢待在海底，它的触角跳动着，指向上方，这样共生的光合微生物就能获得更多的阳光他们发现触手脉动的频率在夜间从每分钟60次下降到每分钟39次

为了进一步验证这些水母是否真的睡着，他们设置了一个假的海底在实验中，他们拉出水母下面的垫子，看看水母发现海底降低时会有什么反应因此，晚上的水母看起来昏昏沉沉，游向新海底的速度比白天慢他们让水流去骚扰水母结果第二天这些水母就不活跃了，好像失眠了最后给水母注射褪黑素，触手脉动的频率降到了夜晚的水平，就像人服用褪黑素帮助睡眠一样注意水母没有真正的大脑它只有一圈神经细胞，分布在钟的边缘

5.水母的神经元分布和神经系统示意图。

后来，研究人员捕捉到了一种打盹的动物——水螅，它与水母同属棘螈门日本九州大学的生物钟专家Taichi Itoh等人将九头蛇放在实验室中，在光与暗交替循环的条件下12个小时，并拍摄了它们的触角扭动的照片结果显示，当光线较暗时，触须扭曲得较慢

以上对水母和水螅的研究沿用了过去的标准，以反应性降低作为睡眠的表现此外，一些科学家开始关注分子水平，寻找在促进睡眠的信号通路中起作用的基因例如，2020年，Itoh团队报告称，在睡眠剥夺的水螅中，200多个基因的活性发生了变化，这些基因中的一些也在果蝇的睡眠中发挥作用

斯坦福大学神经生物学家菲利普·莫兰表示，我们对睡眠概念的定义正日益从行为和生理角度转向细胞和分子角度睡眠的定义越广泛，我们就越接近对其功能的全面理解

对于有大脑的动物来说，睡眠自然对大脑有益，比如巩固记忆，让脑脊液冲走有毒的代谢废物，甚至可能有助于维持大脑的突触可塑性但这些理由对于没有大脑的动物来说，没有意义既然睡眠的特性如此保守，它可能还有一个更基本的作用，那就是维持基本的生理过程宾夕法尼亚大学的神经科学家前岛亚美·塞格尔评论道

来自无脑动物的一些线索表明，睡眠是为能量收支和新陈代谢而设计的雷禅研究小组发现，秀丽隐杆线虫只有在代谢需求高的时候才会打瞌睡，其幼虫在蜕皮的一两个小时内会处于类似睡眠的萎蔫状态当高温或紫外线照射引起线虫的应激反应时，它们也会褪色研究小组还发现，一种名为3的蛋白质与睡眠和新陈代谢直接相关这种蛋白质可以调节哺乳动物的睡眠，而在线虫体内，它可以调动脂肪储备，提高线虫的能量代谢水平在水螅中，伊藤团队还发现了一种不仅影响新陈代谢还调节睡眠的基因

睡眠剥夺研究还表明，睡眠会影响新陈代谢Sehgal发现了一种睡眠减少的突变果蝇它们的氮代谢异常，导致蛋白质周转和含氮废物处理异常，最终导致体内多胺积累，造成DNA和RNA损伤换句话说，当我们被剥夺睡眠时，受影响的不仅仅是大脑

例如，2020年，哈佛医学院的生物学家Dragana Rogulja在《细胞》杂志上发表了一项研究，称睡眠剥夺似乎会影响果蝇和小鼠的肠道——导致活性氧的积累，破坏细胞DNA和其他细胞内物质，导致细胞死亡罗古利亚推测，肠道作为多细胞动物进化最早的器官之一，可能是睡眠最初的受益者，伴随着动物变得越来越复杂，睡眠已经发展出如此多的新功能

这样，要理解睡眠的本质，我们就得研究更原始的甚至没有肠子的物种雷禅决定研究扁盘动物——一种芝麻大小的透明生物，圆形扁平，两侧只有两层细胞和纤毛扁平动物没有神经细胞，细胞之间通过化学信号相互沟通，协调纤毛的运动可以说，除了一些寄生虫，鸭嘴兽是地球上最简单的动物

4.平板动物，顾名思义，形状像平板，一般直径一毫米左右，厚度只有25微米左右它们像放大版的变形虫一样移动他们没有组织和器官的等级制度，身体也没有明显的对称性只有六种类型的数千个细胞形成三层结构

全浮游生物在潮位爬满岩石，遇到微藻就停下来吃汉诺威兽医大学的进化生物学家Bernd Schierwater认为，盘状动物的减速行为代表了睡眠节律进化的第一步，让它们为下一个进食周期积累能量扁平动物缺少高功耗的神经元对他们来说，这可能就足够了

在发现水螅和水母可以睡觉之前，神经科学家卡罗琳·史密斯认为认为扁虫可以睡觉是愚蠢的可是现在，她甚至怀疑这些盘状动物转圈的行为也是睡眠的一种形式当暴露在紫外线下时，平盘动物会退缩利用这一点，我们可以通过紫外线照射来发现它们是否处于沉睡的无反应状态

可是，简单的动物可能不容易喂养有人给史密斯·雷禅提供了一些盘子样品，但是他们太挑剔了，所以他们都死了乔伊纳在研究马勃海绵时遇到了类似的问题他与斯克里普斯海洋研究所的生物学家格雷格·劳斯合作，照顾好这些海绵，每天在上班的路上为它们抽取一些海水，因为马勃海绵需要吃海水中的微生物他们把放海绵的水箱固定在恒温器中，以控制光线和温度最后，他们在水箱中加入了磁力搅拌器，最终他们能够让海绵保持相对健康的状态

乔伊纳和劳斯在水箱上方架设了一台数码相机，记录海绵过滤食物时身体的轻微收缩结果显示，水箱中的海绵大约每3小时收缩一次这一发现意味着研究人员终于找到了一个可靠的行为特征，可以用来监测海绵睡眠的变化

澳大利亚圣卢西亚昆士兰大学的海洋生物学家桑迪·德格南和伯纳德·德格南正在研究另一种海绵:Amphimedon queenslandica，一种分布在大堡礁的海绵这是首个全基因组被测序的海绵动物它有几个基因，其他物种中同系物的表达水平以24小时为周期波动现在，德格南的团队观察到，这种海绵的收缩可能有昼夜节律，即使在白天，局部海绵也不会抽水，就像是刚刚上完夜班要赶着睡觉，非常接近睡眠他们认为，海绵的周期性休息可能是为了重组和更新自己的细胞毕竟，它们在一天内会排出1000倍于自身体积的水

接下来，研究人员计划使用谷氨酸或其他药物让海绵无休止地泵水几天甚至几周，然后看看它们的健康是否会受到影响如果是的话，这意味着多细胞动物需要这样的周期性行为，以便为组织修复和再生留出时间

如果全身所有细胞都能从睡眠中受益，我们就可以合理地假设，全身所有细胞对何时睡觉都有发言权因此，研究睡眠控制的深层机制可能为睡眠障碍的治疗指明新的方向毕竟，仅在美国，睡眠障碍就影响着6000万人的生活

加州大学洛杉矶分校的神经生物学家Ketema Paul研究了一种名为Bmal1的蛋白质Bmal1广泛存在，可以调节基因表达，使睡眠剥夺小鼠保持清醒直到现在，研究人员都认为这是大脑产生Bmal1蛋白的目的可是，保罗的团队发现，睡眠剥夺小鼠的Bmal1实际上是由肌肉产生的！他推测这种蛋白质可能是信号通路的一部分，该信号通路允许大脑将肌肉的疲劳与大脑产生的睡意相结合

对老鼠的其他研究表明，消化道，胰腺和脂肪组织可以产生信号分子，影响睡眠的开始和结束这些信号分子被称为神经激素显然，了解这些器官对大脑的反馈信号通路可能会发现治疗睡眠障碍的新药新药不再只作用于大脑，还可以针对其他部位保罗认为，未来可能会有一种针对肌肉的Bmal1药物，可以抵消熬夜带来的不良影响

15年前，当Mourrain第一次开始研究鱼的睡眠时，许多人认为鱼不睡觉直到两年前，他的团队开发了一种针对鱼类的多导睡眠图，并利用这种技术发现鱼类——与人类相似——也经历安静和活跃的睡眠这是我们领域的一个转折点，Mourrain说它可以让怀疑者相信，鱼类在睡眠领域可以与哺乳动物相媲美，也是一个很好的动物模型

现在，Mourrain的团队正在开发一种新的实验方法，以观察信息如何在细胞间传递他们选择了一种拇指指甲盖大小的透明小鱼，并使用荧光或其他类型的标记来跟踪鱼的大脑和身体，观察不同类型的细胞如何伴随着时间的推移控制睡眠，并从中受益

图7体长仅1厘米的透明小鱼。

那么，继鱼类之后，马勃海绵会是下一个反驳怀疑论者的动物吗也许没那么快——它们无法在实验室环境中保持足够长时间的健康状态，也很难获得可靠的实验数据研究团队一直在折腾设置设备然后，新冠肺炎爆发，实验不得不停止现在没有足够的人来重新开始实验

上面提到的可以扭动触角的九头蛇可以作为候选吗让我们拭目以待

参考

Eitel M，Osigus H—J，DeSalle R，Schierwater B 。PLoS ONE 8: e57131

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