为了了解没脑子的动物是否睡觉，这些科学家疯狂“折腾”水母让它们“熬夜”

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撰文 | 丁霄哲

编辑 | 小柒

图片来源：《辛普森的一家》

睡眠在高等动物中十分普遍。比如我们人类，一生中就要花近三分之一的时间用来睡觉。不过，在闭目养神之前，你是否曾思考过，地球上那些结构简单的动物们究竟需不需要睡觉呢？

猜猜看，下图中哪些生物会睡觉呢？

神经系统的演化及其代表动物^[1]

在过去十几年中，科学家们刚刚证实了包括斑马鱼、果蝇甚至线虫在内的“有脑”生物中都存在类似睡眠的行为。也就是说，上图中从扁形虫（B）到哺乳动物（F）都会睡觉。

新的问题来了，“无脑”的动物会睡觉吗？比如——水母。

正版素材平台：图虫创意

水母拥有着多细胞动物中最原始、最简单的网状神经系统。它的神经元只是互相连接形成一个松散的网络、并不存在中枢及明显的功能分区，属于典型的“无脑”动物。

所以，只要搞清楚水母会不会睡觉，就能知道“脑对于睡眠是否必要”。

如何证明水母会不会睡觉？

水母没有眼睛、不会说话、也不会做出躺卧动作，怎样才能判断它们是否在睡觉呢？好在有下面三条有关睡眠行为的标准，目前在许多物种中被普遍接受，可以用来借鉴：

①静息 (quiescence)，即活动性的降低。

②对外界刺激反应的降低 (reduced responsiveness)。

③稳态反弹 (homeostatic rebound)，即在睡眠剥夺后会有反弹。

这三条标准翻译成人话分别是：

①睡着了动弹少。

②睡着了反应更慢。

③熬夜不睡之后会困、要补觉。    
如果是用小鼠、果蝇等常见模式生物做实验，很容易就能找到材料，但还很少有人将水母这种海洋精灵请进实验室。所以，想要做这项研究，好像必须先去海里捕捉水母才行，不然只能“望洋”兴叹了。 捕捉水母。图片来源：《海绵宝宝》 有三位来自加州理工学院的博士生，在一次茶余饭后的闲谈中聊到了这个问题。碰巧的是， 他们当中的一位刚好养了几箱水母在其他研究。 于是三人立即赶去实验室一探究竟——当他们把水箱的灯光关闭后，神奇的事情发生了，这些水母的规律性收缩看上去好像放慢了，“就像是在睡觉一样”。于是，他们决定用上文所述的严格标准来测试一下，这算不算是真的睡眠行为。
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测试1：昼夜活动性差异

这种在实验室培养的水母学名叫仙女水母（Cassiopeais）。不同于在水族馆中常见的四处飞舞的水母，仙女水母在大多数时候是“倒立”着坐在海底的，这使得它们非常易于饲养和观察。平时，他们会规律地收缩。
      萌萌哒“小仙女”。图片来源：参考文献[4]
他们用摄像机详细记录了水母在白天和夜间的收缩行为。结果发现，在白天这些水母每隔一两秒钟会规律地收缩一次。而到了晚上，它们不仅会时不时地停下来不再收缩，并且收缩时的频率也降低了不少。
图片来源：参考文献[4] 重要的是，这样的结果并不只出现在个别水母。在他们观察的全部23只水母中，都一致地出现了白天明显比夜间更活跃的现象。在白天，它们平均每分钟收缩58次，在晚上则平均每分钟收缩39次。>>>>

测试2：对外界刺激反应的影响

睡眠时的另一个特征是对外部世界的刺激反应降低。要测试水母在晚上是不是也有这个特点，三位博士生也大开脑洞，根据仙女水母的习性“量身打造”了一款独家检测法。 仙女水母也天生喜欢“宅”—— 无论白天还是晚上，只要有突然而来的外力把它们从舒适的“床” 上（海底）拽起来，它们都会赶紧游回去。因此，测试反应速度的方法，就是检查仙女水母突然漂浮起来后，再游回去时的反应会有多快。 他们把一只仙女水母放在一个有底的小管中，一并放在水箱中。每次测量时，他们会把小管慢慢提起、然后瞬间放下，这时水母就因为惯性而漂浮在半空中。随后，他们会记录下水母回到小管的底部的时间。
图片来源：参考文献[4] 实验结果显示，比起白天时，在夜里“睡得迷迷糊糊”的水母果然需要更多时间才能意识到自己不在原位，同时也需要花更长时间才能游回管底。也就是说，水母在晚上对外界刺激的反应确实变慢了。>>>>

测试3：“熬夜”的影响

要验证“熬夜”对水母的影响，首先遇到的难处是该怎样让水母“失眠”呢？毕竟，仙女水母们既不会熬夜刷手机，也不会赶deadline，有什么理由“失眠”呢？ 不过，在三位思(sang)如(xin)泉(bing)涌(kuang)的博士生看来，这也不是什么难事。他们很快找到一种的方法：“可劲儿折腾它们”——只要每20分钟用水流把可怜的小水母吹起来并持续10秒钟，就可以让它们整晚上睡不安稳。 

参加“熬夜”试验的（可怜的）仙女水母 (5x真实速度)。图片来源：参考文献[4]

 于是，他们用这种方法整晚地“折腾”仙女水母，然后记录它们接下来的活跃程度。不出所料，“熬夜”第二天，水母们的活跃度果然相比往常大幅下降；甚至在紧接着的第二天晚上，它们也比平时睡得更“沉”一些。 作为对照实验，如果水母们是在白天遭到了“折腾”，那对接下来的黑夜和白天，他们的活跃度就跟往常没有什么很大的变化。看起来，仙女水母们的睡眠确实存在一个稳态调节机制。>>>>

更多的证据

通过这三组实验，三人其实已经证明了水母中存在一种非常接近于我们惯常称为“睡眠”的行为。不过，他们想进一步看看，这种行为在化学调控机制上，是否也与其他动物的睡眠行为类似。 于是，他们尝试着向水箱中加入脊椎动物中常见的调控睡眠和光周期的分子：褪黑色素 (melatonin)。这种分子还有一个更广为人知的俗名——“脑白金”。对于大多数日间活动的哺乳动物来说，血清中的褪黑色素浓度会在白天降低、晚上升高，进而调控全身的睡眠活动^[2]。

加入褪黑色素后，水母的活动性很快降低。图片来源：参考文献[4]

 神奇的是，褪黑色素确实降低了仙女水母在白天的活跃度，而且降低程度也与褪黑色素的浓度成正比。也就是说，褪黑色素这种参与了哺乳动物睡眠调控的分子，可能具有惊人的演化上的保守性！ 原来， “脑白金”并不是有脑动物的专利，早在“脑”没有出现时，褪黑色素就已经在调控神经系统的睡眠行为了！ 上述一系列研究结果意味着，睡眠是动物神经系统的一种不依赖于脑的、可以直接依托整个神经网络本身的特性。这为科学家们理解“我们什么要睡觉”带来新的思路。
正版素材平台：图虫创意
这项研究也为睡眠的演化起源和原始功能等提供了重要的线索。这些或许可以为科学家们解开“动物睡眠之谜”的终极课题提供一些帮助。 后记：




三个博士生的“课外兴趣小组”这项研究背后的故事也不同寻常。参与实验的三位博士生Ravi，Claire和Michael分别来自不同的实验室、不同的专业，也分别有自己的“正经”的研究课题：

从左往右依次是Ravi, Claire 与 Michael (摄影:John A De Modena )。Ravi平时研究线虫睡眠行为的分子机制，Claire主业是通过蛋白质工程手段为神经科学开发工具，而Michael的主业则是研究生物组织的自我修复^[3]。

三人一时兴起商议了这个水母睡觉的小课题后，分别向各自的导师汇报了这项“不务正业”的研究计划。没有想到，导师们对这个课题非常感兴趣，支持他们购置试验设备，并允许他们在位于著名的科考夫楼的Sternberg实验室的一个闲置房间里搭起了小实验室^[2]。
 为了研究水母这种非典型模式生物，他们从头开始，一步步地开发了一整套记录水母行为、分析的方法，并最终用严谨的科学手段证明了水母有类似睡眠的行为。这项课余的研究成果最终发表在颇有名望的学术期刊《当代生物学》上^[3]。

以线虫为模型模拟的神经网络，让机器人无需训练即可自动避开障碍物。图片来源：ifanr

谁又知道， 那些今天看起来不知疲倦的人工神经网络，也会在未来某天，学会睡觉呢？
*感谢小柒老师及陈欣泓、石悦琳两位同学对本文修改提供的帮助。

参考文献

[1]Silverthorn, D. U. (2007). Humanphysiology: An integrated approach. San Francisco: Pearson/BenjaminCummings.[2] 褪黑色素也经常作为补剂，辅助睡眠不佳或者正在倒时差的人群。不过，由于褪黑色素易降解等原因，有效给药非常困难。目前褪黑色素主要以审查更为宽松的“保健品”而非“药品”出现在市场上。尽管在商业上非常成功，这些褪黑色素类产品是否能真的改善睡眠在学界还没有定论、仍是有争议的话题。[3] Conflict of interest：本文作者间接受益于本课题，曾多次使用该课题所购置的豪华台式机用于图像处理任务。Claire是本文作者在Arnold/Gradinaru lab轮转时的mentor，给过本文作者巨大帮助。[4]Nath, R. D., Bedbrook, C. N., Abrams, M. J., Basinger, T., Bois, J. S., Prober,D. A., ... & Goentoro, L. (2017). The jellyfish Cassiopea exhibits asleep-like state. Current Biology,27(19), 2984-2990.  ** 该论文是本文主要内容的来源。 [5] Artist:Bruno Murai
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作者简介

丁霄哲：加州理工学院生物工程学博士生，联合创办公众号“科考夫瞭望”，关注有趣的生命科学基础问题和酷炫的生物技术初创企业。

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本文经授权转载自微信公众号“我是科学家iScientist”，原标题为《没有脑子的动物，需要睡觉吗？》。

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