總覺得自己睡不夠的你

是否也渴望著有一天能夠

睡眠2小時(shí)，精神一整天

從此開啟“倍速”人生,。

或許,，在不久的將來這不再是空想

因?yàn)椋@樣的夢(mèng)想,，

正在被科學(xué)家們的努力逐漸照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

晝夜節(jié)律和睡眠穩(wěn)態(tài)是共同進(jìn)化而來的生物現(xiàn)象,，前者控制人類何時(shí)入睡，后者控制每天要睡多久,。在果蠅,，小鼠和人類中，都能觀察到這兩種行為共同作用來控制動(dòng)物的周期性睡眠,。隨著近年來對(duì)各種模式生物的研究,，科研人員對(duì)分別調(diào)控這兩種行為的分子和神經(jīng)通路了解得很多。但在大多數(shù)生物中,，對(duì)節(jié)律神經(jīng)回路如何輸出到睡眠中心的連接機(jī)制依然未知,，使得這成為睡眠領(lǐng)域的一個(gè)非常重要的問題。

近日,，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院“百人計(jì)劃”研究員——郭方,，以果蠅為模式生物，鑒定出其腦中的背側(cè)晝夜節(jié)律神經(jīng)元APDN1往睡眠穩(wěn)態(tài)中心-橢球體EB-R2投射的神經(jīng)回路,，并將相關(guān)成果發(fā)表在知名期刊《神經(jīng)元》（Neuron）上,。研究揭示了該神經(jīng)回路決定睡眠和覺醒水平的作用機(jī)制，為闡述晝夜節(jié)律回路和睡眠回路的連接機(jī)制提供了非常重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù),。

實(shí)際大小只有2毫米的果蠅

這項(xiàng)科研工作的第一作者為浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物系郭方研究員，郭方研究員和2017年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者,、美國布蘭迪斯大學(xué)MichaelRosbash教授為本論文的共同通訊作者,。

找到“開關(guān)”和“連接”

果蠅的晝夜節(jié)律神經(jīng)元APDN1是控制睡眠的閥門，郭方和他的導(dǎo)師MichaelRosbash在以前的研究中已確認(rèn)了這點(diǎn),。在2016年,，約翰霍布金斯大學(xué)的科學(xué)家們也已鑒定出果蠅中調(diào)控睡眠穩(wěn)態(tài)的神經(jīng)元是橢球體EB-R2。因此研究的主線就落到APDN1與橢球體EB-R2的關(guān)系上,。

郭方（左）和他的導(dǎo)師 MichaelRosbash

實(shí)驗(yàn)中,，郭方及其同事們發(fā)現(xiàn)果蠅的APDN1神經(jīng)元有兩簇投射，一簇向果蠅大腦前側(cè),，一簇向果蠅大腦后側(cè),。前期的研究中，科學(xué)家們關(guān)注的是向后的這一簇,，它起著抑制果蠅活動(dòng)的作用,，該研究發(fā)現(xiàn)了果蠅節(jié)律神經(jīng)元控制睡眠的奧秘。

那么APDN1的前一簇往哪個(gè)腦區(qū)投射,，生物學(xué)的功能是什么,？

他們利用最新發(fā)明的神經(jīng)回路技術(shù)-跨突觸顯示技術(shù)，追蹤投射神經(jīng)元的走向,。并通過膨脹顯微鏡（ExpansionMicroscopy）放大并透明化果蠅的大腦,，發(fā)現(xiàn)這簇軸突往前投射到一個(gè)叫AOTU的腦區(qū)。鈣成像技術(shù)表明,，它們支配著一群特殊的TuBu神經(jīng)元,，并通過其與更高腦區(qū)域的睡眠穩(wěn)態(tài)中心-橢球體EB-R2偶聯(lián)。

最終郭方團(tuán)隊(duì)在形態(tài)學(xué)上鑒定出果蠅的背側(cè)節(jié)律神經(jīng)元APDN1往果蠅的睡眠穩(wěn)態(tài)中心與橢球體EB-R2投射的神經(jīng)回路,。神經(jīng)元APDN1作為一個(gè)“開關(guān)”調(diào)控著EB-R2,，激活A(yù)PDN會(huì)在EB-R2中誘導(dǎo)出類似人類睡眠時(shí)的特定振蕩模式,。

睡眠“防火墻”

已有的研究發(fā)現(xiàn),，當(dāng)人類進(jìn)入睡眠時(shí)會(huì)形成特定頻率振蕩的腦電波。那么,，郭方通過鈣成像檢測(cè)到的果蠅調(diào)控睡眠腦區(qū)的高頻振蕩,，會(huì)不會(huì)和高等動(dòng)物的一樣，起著在睡眠時(shí)降低對(duì)外界反應(yīng)的作用,？

論文中的數(shù)據(jù)概圖，揭示了APDN神經(jīng)元通過TuBu連接到EB-R2的神經(jīng)回路及其功能

在實(shí)驗(yàn)中,，郭方通過機(jī)械刺激偶聯(lián)光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)來證明自己的假設(shè),。當(dāng)果蠅睡眠時(shí)，他每隔半個(gè)小時(shí)給果蠅一個(gè)機(jī)械振動(dòng),，果蠅都會(huì)產(chǎn)生受激反應(yīng),，從睡眠中驚醒，呈現(xiàn)出規(guī)律性的高活動(dòng),，然后再逐漸入睡,。

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)只激活A(yù)PDN1神經(jīng)元時(shí),，大腦中振蕩波產(chǎn)生,。果蠅在受到刺激后懶得動(dòng),，醒來一下又迅速入睡。

第二個(gè)實(shí)驗(yàn),，科研人員還通過光遺傳學(xué)的方式,，激活DN1神經(jīng)元，果蠅進(jìn)入睡眠,，再通過特定波長的綠光抑制EB-R2神經(jīng)元中的振蕩波,。通過觀察果蠅的行為發(fā)現(xiàn)，受到刺激時(shí)果蠅會(huì)迅速反應(yīng),，顯著的增加了高活動(dòng)狀態(tài),，才重新進(jìn)入睡眠。

通過這些實(shí)驗(yàn),，郭方發(fā)現(xiàn),，果蠅EB-R2中產(chǎn)生的特定振蕩模式是一道“防火墻”，可以”屏蔽”外界信息的輸入,，讓果蠅對(duì)外界刺激不敏感,。“特定腦區(qū)的神經(jīng)元產(chǎn)生某些頻率的共振,，可能讓神經(jīng)元鎖定在某種狀態(tài),，使外界信息無法輸入?！惫秸f,，“當(dāng)通過人為方式打破‘防火墻’時(shí)，果蠅無法進(jìn)入深睡狀態(tài),。”

同時(shí),，郭方也表示，目前尚待解決的科學(xué)問題是“防火墻”是如何導(dǎo)致外界信息無法傳入,，這一神經(jīng)回路傳遞信號(hào)的遞質(zhì)是什么,，具體內(nèi)部機(jī)制有待進(jìn)一步回答。

對(duì)這道睡眠“防火墻”的研究,，還是一項(xiàng)起點(diǎn)性的工作,。未來,，可以通過藥物,，治愈失眠，讓輕度睡眠患者擁有更好的睡眠質(zhì)量,。科研人員也猜想,，隨著對(duì)深度睡眠機(jī)制研究的深入，或許以后充足的睡眠不需要8個(gè)小時(shí)以上，通過調(diào)控深度睡眠,，在更快時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充精力,，睡眠2小時(shí)精神一整天也不無可能?！澳菚r(shí)候，供人類自由支配的時(shí)間更長,，不用在有限的覺醒，開啟‘倍速’人生,?！?/strong>

《神經(jīng)元》匿名評(píng)審專家們對(duì)這一研究結(jié)果也評(píng)價(jià)道：“該論文提供了（果蠅）生物鐘和睡眠調(diào)節(jié)之間目前最全面的聯(lián)系，并為理解高度保守的睡眠和晝夜節(jié)律整合的神經(jīng)機(jī)制提供了平臺(tái),。研究中應(yīng)用了最先進(jìn)的遺傳工具和實(shí)驗(yàn)技術(shù)來繪制神經(jīng)回路,。”“這一研究將對(duì)該領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響,?！?/p>

“果蠅”盒子

一位匿名專家指出,，郭方團(tuán)隊(duì)的研究使用多種先進(jìn)的技術(shù)組合提供了令人信服的證據(jù),，證明了將晝夜節(jié)律神經(jīng)元連接到睡眠中心的神經(jīng)回路及其功能,。那么他們是如何把這些技術(shù)更好地使用到實(shí)驗(yàn)中呢？這就要提到郭方和他的同事們研發(fā)的“果蠅”盒子專利,。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)盒,，具有體積輕便,，易于操作等優(yōu)點(diǎn)，利用攝像頭持續(xù)記錄96只果蠅的行為,，能高通量地篩選調(diào)控果蠅行為的基因和神經(jīng)回路,。

那么這個(gè)果蠅盒子是如何想到的呢,？

這里先講一個(gè)“失眠果蠅”的故事,。和MichaelRosbash教授同時(shí)獲得去年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的JeffHall教授，在70年代曾和同事在其導(dǎo)師SeymourBenzer教授的實(shí)驗(yàn)室里,，發(fā)現(xiàn)了一些“睡不好”的果蠅：其晝夜節(jié)律基因受到突變,，很有個(gè)性的睡得早，醒得早,。于是SeymourBenzer對(duì)這些果蠅產(chǎn)生了興趣,，發(fā)明了儀器來監(jiān)測(cè)其晝夜節(jié)律。

這個(gè)神奇的“果蠅”盒子,，也是郭方在Rosbash教授實(shí)驗(yàn)室里,，某一天晚上熬夜做實(shí)驗(yàn),，靈機(jī)一動(dòng)想到的?！白钤绲脑褪?015年開始研制,，現(xiàn)在已經(jīng)量產(chǎn),。不僅可以作為果蠅的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，還可以用于記錄蚊子,、斑馬魚等小型動(dòng)物的行為”。

郭方說,，隨著相關(guān)實(shí)驗(yàn)的引入，他們?cè)谶@個(gè)果蠅盒子里，裝上了625nm的紅色LED和550nm的綠色LED,，能快速對(duì)神經(jīng)元活性進(jìn)行雙向調(diào)控。同時(shí)也裝上了電磁閥控制的睡眠剝奪裝置,，能定量的對(duì)果蠅進(jìn)行機(jī)械刺激,，來檢測(cè)果蠅的覺醒閾值和睡眠深度,。

文字記者：柯溢能

部分內(nèi)容整合自浙江大學(xué)頭條號(hào)《浙大一項(xiàng)果蠅研究新鮮出爐,！有助于探討未來人類睡眠2小時(shí),，精神一整天》