动物为什么睡觉?为什么人类要浪费三分之一的时间睡觉?
在整个进化过程中,睡眠对所有有神经系统的生物都是普遍的和必不可少的,包括无脊椎动物,如苍蝇、蠕虫,甚至水母。
但是,,动物睡觉的原因——尽管食肉动物的威胁不断——仍然是个谜,被认为是生命科学中最大的未解之谜之一。
在今天发表在《自然通讯》(NatureCommunications)杂志上的一项新研究中,以色列巴伊兰大学(Bar-IlanUniversity)的研究人员揭示了一种新的、意想不到的睡眠功能。
利用活斑马鱼的3D延时成像技术,研究人员能够在单个染色体分辨率下定义睡眠,并首次表明,单个神经元需要睡眠才能进行细胞核的修复工作。
DNA损伤可以由许多过程引起,包括辐射,氧化应激,甚至神经元活动。
每个细胞内的DNA修复系统可以修复这种损伤。
目前的研究表明,在清醒状态下,当染色体动力较低时,DNA损伤持续累积,可能达到不安全水平。
睡眠的作用是增加染色体动力,使每个神经元的DNA损伤水平正常化。
显然,这种DNA修复过程在“在线清醒”期间不够有效,需要“离线睡眠”,减少对大脑的输入才能发生。
“这就像道路上的坑洞,”巴伊兰大学Mina和EverardGoodman生命科学学院以及Gonda(Goldschmied)多学科大脑研究中心的LiorAppelbaum教授说。
“道路会累积磨损,尤其是在白天的高峰时段,在夜间交通稀少的时候修路是最方便和有效的。”
Appelbaum称DNA的累积损害为“清醒的代价”。
他和他的博士生、这项研究的第一作者大卫·扎达(DavidZada),以及合著者塔利·勒勒-戈尔德什丹博士(Dr.TaliLerer-Goldshtein)、伊琳娜·勃朗什丹博士(Dr.IrinaBronshtein)、尤瓦尔·加里尼(YuvalGarini)教授假设,睡眠会巩固和同步单个神经元内的细胞核修复工作,并着手证实这一理论。
他们的发现归功于斑马鱼模型的特点。
斑马鱼具有绝对的透明性,它的大脑与人类非常相似,是在生理条件下研究活体动物单细胞的理想生物。
利用高分辨率的显微镜,可以观察到DNA和核蛋白在鱼体内细胞内的运动。
研究人员尤其惊讶地发现,当身体休息的时候,染色体在夜间更活跃,但这种增加的活动使修复DNA损伤的效率得以提高。
结果表明,染色体动力可作为确定单个睡眠细胞的潜在标志,并提出睡眠的恢复功能是细胞核的修复。
Appelbaum教授说:“我们已经发现睡眠、染色体动力学、神经元活动、DNA损伤和修复与整个生物体的生理直接相关。”
“睡眠提供了一个减少清醒时大脑DNA损伤的机会。”
“尽管有着对周围环境意识降低的风险,动物——从水母、斑马鱼到人类——都需要睡眠,以便让他们的神经元进行有效的DNA修复工作,这也许就是为什么在动物中睡眠行为演化并留存了下来。”Appelbaum教授总结道。