科学好故事 笃 新著醉拳

起源:Quanta Magazine

作者:维罗妮克·格林伍德(Veronique Greenwood)

长时光不睡觉会导致动物逝世亡,但是为什么科学家却说不出确实原因,最新的研讨表明,这个问题的答案暗藏在一个我们意想不到的身材部位。

就义睡眠时光值得吗?科学家正在逐渐揭开睡眠缺失致逝世的机制

在哈佛医学院一间明亮温暖的房间里,数百只果蝇正在一整排的试管里“熬夜”。它们已经有好几天没有睡过觉了,因为这些试管一直在不停地震撼,让它们无法休息,只能尽量贴在试管的盖子上缓一缓。在不远处的另一些试管中,也住着许多从不睡觉的果蝇。研讨者对它们大脑中某些神经元的基因进行了微调,使它们在活着的时候一直坚持苏醒。

当然,这些果蝇的寿命都不长。无论是时刻震撼的果蝇,还是经过基因改革的果蝇,最终都很快逝世亡。事实上,基因改革果蝇的存活时光只有休息良好的对比组的一半。经过持续数天的睡眠剥夺,果蝇的数量急剧降落,直到全体逝世亡。

众所周知,我们须要睡眠来坚持最佳的身材和精力状况,而严重的睡眠缺失会带来更严重且更直接的影响:试验中被完整剥夺睡眠的动物很快就逝世了。然而,科学家发明,睡眠不足致逝世的问题并没有想象的那么简略。

哈佛医学院神经生物学助理教授德拉加纳·罗古尔加推测,睡眠剥夺的最基本影响始于大脑之外,“可能来自任何处所”。

睡眠从基本上可以视为一种神经体系现象,然而,当睡眠被剥夺的动物逝世亡时,它们身材中神经体系以外的部分会呈现一系列令人迷惑的功效问题。人类和试验动物如果长期睡眠不足,就会随着时光的推移而呈现一系列健康问题,比如心脏病、高血压、肥胖和糖尿病等等。但其实,对于那些在几天或几周内完整没有睡觉的动物,这些疾病并不是它们逝世亡的原因。

睡眠有什么主要作用,以至于剥夺睡眠就会导致逝世亡?这个问题的答案能否说明我们为什么须要睡眠?

哈佛医学院的研讨者德拉加纳试图找到这些问题的答案。在她的试验室中,苍白的光线照耀着培育箱,“无眠的果蝇”就在试管中不断地从生存走向逝世亡。

冬天的一个寒冷凌晨,罗古尔加来到办公室。她靠在平板电脑前,开端用图表来说明试验中的一些结论。尽管罗古尔加是一位训练有素的发育神经学家,但她并不以为睡眠剥夺的最基本影响始于大脑。“它可能来自任何处所,”她说,而且看起来可能不像大多数人预计的那样。

研讨人员推测,睡眠剥夺之所以导致逝世亡,根源很可能就是一类名为“活性氧”的高度活性分子。在睡眠剥夺的动物肠道中,可以发明活性氧程度的明显进步

罗古尔加取得了一些支撑自己直觉的发明。在近日的《细胞》(Cell)杂志上,她和同事供给了证据,表明当果蝇因睡眠剥夺而逝世亡时,致命的变更并非产生在大脑中,而是呈现于肠道。显微图片显示,靛蓝色的果蝇小肠中呈现了明亮的紫红色,揭示出一种能损坏DNA并造成细胞损伤的分子正在累积。在睡眠剥夺开端后不久,这些分子就没有任何前兆地呈现了;如果此时让果蝇睡觉,则紫红色会慢慢消退。值得注意的是,如果果蝇摄入了能够中和这些分子的抗氧化剂,那么即使它们不再睡觉也没有关系。它们的寿命和那些得到休息的同类一样长。

这些成果表明,睡眠最基础的功效之一或许也是其他一系列功效的基本,便是调节古老的生物氧化反映。在这一进程中,单个电子的得失决议了分子的功效,影响了从呼吸到新陈代谢等一切运动。研讨人员指出,睡眠并不仅仅是神经科学范畴的问题,而是更深刻地与生物化学接洽在一起,并串联起了全部动物王国。

比饥饿更致命

最初研讨完整睡眠剥夺的试验带有某种猖狂的性质。

1894年,俄罗斯生化学家玛丽亚在罗马的国际医学大会上发表了一份报告,介绍了她在10只小狗身上所做的试验。她和助手让这些狗一天24小时不睡觉,并且不停地运动;5天之内,所有的小狗都逝世了。她报告称,睡眠剥夺比饥饿更容易导致幼犬逝世亡,“对幼犬来说,完整剥夺睡眠比完整剥夺食物更加致命”。

尸检成果显示,这些小狗的组织修复情形相当糟糕,尤其是大脑,到处都是出血、血管受损和其他恐怖特点。马纳西纳总结道,睡眠并不是一种无用的习惯,它对大脑健康有着深远的影响。

亚历山德拉·瓦卡罗是罗古尔加试验室的博士后研讨员,她发明果蝇可以从严重的睡眠剥夺中恢复过来,并拥有正常的寿命。但是,在一段时光内,它们仍然非常容易因再次睡眠剥夺而逝世亡

在此之后,更多的研讨者也开端用狗来进行睡眠剥夺试验。1898年,意大利研讨者兰博托·达迪(Lamberto Daddi)发表了一份报告,对睡眠剥夺的狗的大脑进行了详细绘图。他报告称,这些狗的大脑呈现了显明的退行性损伤,与它们面对其他压力时呈现的症状相似。大约在同一时代,精力病学家塞萨尔把狗关在一个装有铃铛的笼子里,每当它们想躺下睡觉时,铃铛就会发出恐怖的响声。20世纪20年代,日本的研讨人员用布满钉子的笼子进行了相似的试验。

除了都非常残暴之外,这些试验还有一个类似的缺点:没有设置有效的对比组。这些狗逝世后,它们的组织看起来很不正常,但这真的是因为它们没有睡觉吗?还是因为不停的行走和刺激本身给予的压力?要把剥夺睡眠的成果与一直站立直到逝世亡的影响完整离开似乎是不可能的。

旋转的笼子

科学家们花了几十年的时光才重新严正地看待这个问题。美国芝加哥大学的睡眠研讨者艾伦因在嗜睡症方面的首创性工作而驰名于世,在20世纪80年代,他开端设计试验,试图将过度刺激与剥夺睡眠的影响区离开来。他设计了一个转盘形状的鼠笼,悬吊在水面上。笼子中间有一块隔板,可以将大鼠放进其中任意一边,而它们下方的转盘可以自由旋转。试验人员将大鼠成对地放入这个装置,对其中一只大鼠完整剥夺睡眠:每当这只大鼠想睡觉时,研讨人员就旋转转盘,将两只大鼠都撞到水里。

当研讨人员用抗氧化剂抵消了睡眠剥夺果蝇体内积聚的活性氧之后,这些果蝇的寿命恢复了正常。不过,现在还不明白这一方式是否会减弱睡眠剥夺的其他影响

尽管两只大鼠都同样频繁地掉进水里,但这样的设置确保了当被剥夺睡眠的大鼠处于运动状况时,对比组大鼠仍然可以打个盹儿。事实上,对比组大鼠的睡眠只有正常状况的70%,受到了轻微的睡眠剥夺;而另一只大鼠的睡眠时光不到正常状况的9%,几乎是完整的睡眠剥夺。

两组大鼠被干扰的次数雷同,都蒙受着掉入水中,又不得不游泳求生的压力。但是,只有严重剥夺睡眠的大鼠开端虚弱。它们的毛变得又粗又乱,从白色变成了龌龊的黄色。它们的皮肤上呈现了病变,体重也明显减轻。在剥夺睡眠15天(平均值)后,这些大鼠纷纭逝世亡。里奇沙芬的这种方式证明了睡眠剥夺本身确切会导致逝世亡。

对于进行这些试验的研讨生来说,一天的时光十分漫长。“试验室在一栋公寓楼里,你的卧室就挨着动物试验室,”加州大学欧文分校的精力病学教授、曾与里奇沙芬合作过几年的露丝·本卡(Ruth Benca)说,“他们的卧室就在那些动物被剥夺睡眠的房间旁边,这样他们就可以24小时监控。”

在其他方面,这项工作也颇具挑衅性。“让动物阅历那样的苦楚,在心理上这是非常、非常艰巨的试验,”里奇沙芬曾经的研讨生、如今是圣路易斯华盛顿大学神经科学教授的保罗·肖(Paul Shaw)说道,“在试验的最后7天里,这团乌云会一直缭绕在你的心头。”在距离大鼠逝世亡还有一两天的时候,试验计划请求让这些大鼠睡觉并察看它们的脑电图。肖回想道,当监督器中的读数宣布大鼠进入了等待已久的睡眠时,他觉得肩膀上的重任卸了下来。“直到今天我还记忆犹新,”他在谈到脑电图读数时说,“我可以把它装在画框里挂在墙上,每一次看到都能让我开心。”

这项残暴的工作同样令人冲动。“你必需信任这样做会有成果。没有别的措施,”保罗·肖说道。他来到试验室时,之前最先进行这些试验的学生已经获得学位并分开,但他仍然会在会议上听到他们的故事,听到他们追忆当年的高兴之情。“没有人将拿到博士学位放在心里,”他回想道,因为他们都想着如果能留下来,“第二天可能就会发明睡眠的功效。”

凌乱的逝世因

原来,里奇沙芬的试验胜利应当能让科学家最终发明睡眠剥夺如何导致逝世亡,并对睡眠不可或缺的原因有更深刻的懂得。但是,当研讨人员对大鼠进行尸检时,他们发明大多数成果反而让这个问题更增加了几分迷惑。对比组大鼠和逝世于睡眠剥夺的大鼠之间,几乎没有一致的明显差别表明是什么导致了它们的逝世亡。被剥夺睡眠的大鼠体重很轻,肾上腺肿大,“无法鉴定出解剖学上的逝世因”。

对动物行动的察看揭示了一些更有意思的东西。“在这些精心把持的条件下,长期睡眠剥夺的动物会增添食物摄入,到达正常食量的两到三倍,同时体重减轻,”里奇沙芬的研讨生之一、威斯康星医学院的医学和神经生物学教授卡罗尔说,“我们做了各种各样的代谢研讨,试图发明是否存在我们可以检测到的损伤。”

然而,睡眠研讨范畴的研讨者有一种强烈的预见,以为关于睡眠最基础功效的答案将在大脑中找到。当时,哈佛大学医学院有名的睡眠研讨者约翰·艾伦·霍布森(John Allan Hobson)刚刚在《自然》(Nature)杂志上发表了一篇论文,题为《睡眠是大脑所有,由大脑安排,又为大脑所用》(Sleep is of the brain, by the brain and for the brain)。肖回想道,“这抓住了全部睡眠研讨范畴的时期精力。”

事实上,如今绝大多数睡眠研讨仍然集中在大脑和认知障碍等方面。睡眠不足确切会转变人体的新陈代谢——已发明这与糖尿病和代谢综合症有关——但公共卫生研讨者往往是唯一关怀这一点的人,那些想要懂得睡眠基础功效的研讨者很少在新陈代谢或其他化学进程中追求答案。

活性氧

参与调节睡眠的神经元是罗古尔加工作的重点,但睡眠不足会侵害循环、消化、免疫体系和新陈代谢的事实让她十分好奇。这些毕竟是神经问题的下游影响,还是相互独立的?“似乎不可能全是大脑的问题,”她说道。

她很懂得里奇沙芬的试验,并以为“非常经典”,但该试验几乎没有后续研讨。在完整睡眠剥夺导致逝世亡的观点确立之后,研讨者基础就不再采取剥夺睡眠的方法来研讨睡眠的功效。然而,在随后几十年里,果蝇成为了睡眠范畴的重要模式生物,因为它们的基因已经被研讨得十分透辟,而且易于操作,在试验室中保留的成本也不高。许多首先在果蝇身上发明的睡眠现象已经在哺乳动物身上得到了证实。于是,随着果蝇作为试验对象的普及,睡眠剥夺的影响似乎再次成为了一个很有远景的研讨课题。

2016年,博士后研讨员亚历山德拉来到罗古尔加的试验室,两人想出了一个研讨打算。首先,她们从其他试验室获得经过基因改革、在某些神经元中具有对温度敏感通道蛋白的果蝇。当温度在28摄氏度以上时,这些通道蛋白会打开并坚持开启状况,使神经元坚持活泼,即让果蝇坚持苏醒。在通道关闭的情形下,果蝇的正常寿命为110天;而随着通道打开,果蝇在10天左右就会开端因完整的睡眠剥夺而逝世亡,并且在20天内全体逝世亡。

当瓦卡罗进行试验时,有趣的模式呈现了。如果在第10天关闭通道,让果蝇睡觉,那它们就会恢复过来,寿命和对比组一样长;但如果在5天或10天后再进行睡眠剥夺,果蝇就会逝世亡:无论它们在最初的睡眠剥夺中发生了什么损伤,显然都还没有修复。在再次剥夺睡眠之前,只有先让果蝇正常睡眠15天,才不至于使它们立即逝世亡。

瓦卡罗对不同剥夺睡眠水平的果蝇进行懂得剖,发明它们的组织似乎都没有受到损伤,除了一个非常显明的例外:它们的内脏里都充斥了活性氧(reactive oxygen species,简称ROS)。这是一类具有高度化学反映活性的含氧分子。一些活性氧是生物体在正常的呼吸、代谢和免疫防御进程中发生的,有时用于特定功效,有时作为副产物。但是,如果活性氧没有被抗氧化酶肃清,它们就会变得极其危险,因为不平衡的氧会将电子从DNA、蛋白质和脂类中剥离。事实上,在果蝇被剥夺睡眠一周后,活性氧就呈现了,导致氧化损伤的标志物飙升,这是细胞处于危机的标记。

活性氧程度在被睡眠剥夺的第10天到达顶峰。当果蝇开端正常睡眠后,它们的活性氧程度须要大约15天才干再次接近基线,这与果蝇能够蒙受再次睡眠剥夺的时光雷同。

罗古尔加和瓦卡罗没有预感到在项目开端的短短几个月内就有了如此明白的成果。答案来得太容易了,这使她们立刻发生了猜忌。当罗古尔加在一次皮尤生物医学学者会议上展现初步数据时,与会者的高兴让她有点紧张。“从来从没有这样过,”她说。她更偏向于对研讨成果坚持谨严。

因此,在过去的三年里,瓦卡罗、罗古尔加和博士后研讨员约瑟夫一直在研讨活性氧与睡眠剥夺之间的显明接洽。他们用一种更传统的方式剥夺了果蝇的睡眠时光——每两秒钟动摇装有果蝇的试管——然后检讨活性氧程度是否与睡眠剥夺程度相干。他们做到了。研讨小组察看了具有增进睡眠或苏醒的基因突变的果蝇,其中剥夺睡眠的果蝇肠道内发明了活性氧;与此相反的是,耐受睡眠不足的突变果蝇的肠道中没有呈现活性氧。

这个项目中最奇异、最冲动人心的时刻到来了。研讨人员以为,如果是活性氧的氧化作用杀逝世了果蝇,那他们也许应当给果蝇供给抗氧化剂。这听起来像是一个幽默的健康食品试验,但瓦卡罗还是找到了已知对果蝇有效的抗氧化剂,然后喂给了剥夺睡眠的果蝇。令研讨人员惊讶的是,这些果蝇的寿命恢复到了正常程度。当研讨人员进步果蝇肠道内的抗氧化酶程度时,也产生了同样的情形(但很显明,当他们进步果蝇神经体系的抗氧化酶程度时,情形并非如此)。

“我无法想象在科学中还有什么比这更快活的,”罗古尔加在谈到那个夏天时说,“在开端给它们服用这些抗氧化剂之后,我们全家,还有全部试验室,都会在早上聚在一起,‘它们还活着!’它们不仅活着,而且看起来很好。”

瓦卡罗和试验室的技巧人员以及哈佛大学迈克尔试验室的合作者,在小鼠身上进行了一个简化版的果蝇试验。他们把小鼠关在一个装有旋转杆的笼子里,让它们持续5天不睡觉。成果发明,这些小鼠的内脏中呈现了活性氧的荧光。

肠道的问题

在保罗·肖看来,这个团队新发表的论文非常有趣。“看到他们应用了遗传学的力气,这非常令人高兴,”他说,“我们废弃了对果蝇进行(机械性)睡眠剥夺直到它们逝世去的研讨打算,因为这须要做许多漫长而艰巨的试验。”而且,试验中很难对压力因素进行把持。由于这项新研讨同时用基因和机械手腕进行睡眠剥夺,因此躲避了这个问题。“这太棒了,真的太棒了……我很信服,”肖说,“我感到把持得非常好。”

这些研讨成果的意义还有待进一步摸索。研讨人员以为,睡眠对身材的氧化调节至关主要,尤其是在肠道内,而这一点可能会对身材发生普遍的影响。正如罗古尔加等人在新论文中所写的:“用单一手腕就可以禁止逝世亡,这证明了几乎所有重要身材机能的逐渐衰竭都源于一个共同的原因。”对于他们所研讨的果蝇,抗氧化剂就是这唯一的手腕。

这些研讨成果也与此前一系列将氧化进程与睡眠不足接洽起来的报道相吻合,尤其是卡罗尔·埃弗森所进行的研讨。在里奇沙芬的试验室工作时,埃弗森开端对新陈代谢感兴致。她很早就意识到,尽管大脑是睡眠的管理者,但睡眠不仅仅与神经科学有关。在睡眠剥夺的大鼠身上,她察看到了免疫体系失效的迹象,并在本该无菌的组织中发明了细菌。2016年,她和同事报告称,他们在睡眠剥夺的大鼠肝脏、肺和小肠中发明了氧化现象。埃弗森表现,在睡眠剥夺之后,经常发明组织中漂浮着炎症标记物,但其起源一直不明白。如果氧化进程在身材的某个处所失去把持,由此发生的细胞损伤就可能导致炎症反映。

埃弗森还发明,睡眠剥夺的大鼠会呈现肠道渗漏,将细菌释放到它们的血液中。但从罗古尔加及其同事的察看来看,果蝇的肠道似乎并没有渗漏。在他们检讨的其他组织中,活性氧程度似乎也没有升高。尽管果蝇在睡眠剥夺期间有时会吃得更多,但它们肠道内的活性氧程度看起来并没有变更。

目前尚不明白大鼠和果蝇的试验成果会如何整合起来。伦敦帝国理工学院的睡眠研讨者乔治欧指出,尽管这些试验表明活性氧会杀逝世果蝇,但这并不意味着活性氧也能杀逝世大鼠。一项针对睡眠不足人群的小型研讨表明,肠道微生物群的组成会在睡眠不足后产生变更。这是一个有趣的初步发明,揭示了睡眠和肠道之间的另一种接洽。

然而,或许最紧急的问题是,我们仍不知道活性氧来自哪里,以及为什么会在肠道积累。是什么进程(代谢或其他进程)发生了活性氧?睡眠不足是否会导致活性氧的过度生成?抑或睡眠不足干扰了正常情形下肃清活性氧的进程?为什么活性氧与睡眠有关?罗古尔加打算在未来的试验中探究这些问题。

所有这一切的背后,是睡眠对身材的普遍影响。学习、新陈代谢、记忆和无数其他功效和体系都受到睡眠的影响,而这些影响如果都源于基础的活性氧物资转变,那将非常有趣。但是,即使活性氧是睡眠缺失致逝世的原因之一,也没有证据表明睡眠对认知的影响是基于同样的机制。即便抗氧化剂能防止果蝇过早逝世亡,睡眠的其他功效也可能不会受到影响;或者即使受到影响,也可能是出于其他的原因。

这些睡眠剥夺的果蝇和它们发出荧光的肠道提示我们,睡眠是一种全身性的体验,而不仅仅是大脑与神经的功效。果蝇的逝世亡或许能够供给睡眠缺失为什么致逝世的答案,并说明睡眠在衔接身材各个不同体系方面所起的作用。保罗·肖对罗古尔加的试验室接下来会产生什么很感兴致。“这是一个非常主要的问题,”他说,“他们已经找到懂得决这个问题的方式。”

目前,研讨人员正在研讨活性氧在肠道积累并影响身材机能的上游生物道路,他们也盼望这项研讨有助于未来开发出新的疗法,以抵消睡眠缺失的负面影响。对许多人来说,睡眠不足是生涯的一部分。“我们中有许多人都处于长期的睡眠剥夺状况,即使我们知道熬夜不对,但仍会这么做,”罗古尔加说,“我们信任,我们已经断定了一个核心问题,在解决这个问题之后,就能在不睡觉的情形存活,至少对果蝇如此。我们须要懂得睡眠剥夺损伤身材的生物学机制,从而找到禁止这种损害的方式。”(任天)