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Science子刊解謎：先有的大腦，還是先有的睡眠？

日期:2021-01-15

Science子刊解謎：先有的大腦，還是先有的睡眠？

小到線蟲、節肢動物，甚至是無腦動物水母，大到包括我們人類在內的哺乳動物，睡眠行為廣泛存在于動物世界中。然而，對于漫漫進化過程中睡眠的起源及其調節機制一直是神經科學領域最大的謎團之一。因此，有一個燒腦的問題也隨之而來，即：到底是先有的大腦，還是先有的睡眠？

近日，發表在《Science Advances》上的一項研究中，來自日本九州大學和韓國國立蔚山科學技術院領導的研究團隊通過對原始水生生物的研究，或許找到了這一問題的答案。這項新研究表明，這些微小的動物盡管沒有大腦也能進入睡眠樣狀態。這讓我們又進一步了解了很多動物是如何進化出睡眠需求和能力的。更重要的是，研究人員發現，導致人類昏昏欲睡的化學物質對普通水螅也有同樣的影響，這表明不同物種之間存在著生物學聯系，盡管我們之間存在著巨大差異。

水螅（Hydra vulgaris）是一種最低等的無腦腔腸動物，通常生活在水流緩慢、水草豐富的淡水中。它分布極廣，容易采集和培養，是較為理想的生物學實驗材料。

水螅（Hydra vulgaris）
研究通訊作者、日本九州大學的生物學家Taichi Itoh說：“我們現在有強有力的證據表明，動物在擁有大腦之前就已經有了睡眠需求。根據我們的發現和先前對水母的研究，我們可以說睡眠進化是獨立于大腦的。”
先前的幾項研究已經發現，無大腦動物也有類似睡眠的行為，Itoh提到關于水母的研究就是其中之一。然而，水母的神經系統要比水螅更為發達，而且它們似乎遵循了晝夜節律。
因此，研究人員不確定他們會在更低等的水螅樣本中發現什么，這些水螅也有神經，但只是在一個原始的、分散的組織中。

實驗水螅

研究人員通過一個視頻分析系統來追蹤水螅的運動，并用一個發光二極管作為“鬧鐘”。他們觀察到這些小動物平均每四小時進入一個睡眠周期。這看起來比我們人類的困倦感要來得更快一些。
研究人員發現，將水螅暴露于促進睡眠的褪黑素和抑制性神經遞質GABA中，它們的睡眠時間會延長。不可思議的是，將它們暴露于通常使我們更加興奮和清醒的多巴胺中，水螅的睡眠不減反增。

這些反應為研究人員提供了更多線索，闡明在發育出大腦前后，睡眠是如何在動物世界中進化的。研究人員表示，目前還不清楚水螅體內紊亂的神經系統是否起作用。
Itoh說：“雖然一些睡眠機制似乎是保守的，但其他的可能在大腦進化過程中發生了功能改變。”
不出所料，進一步的“動蕩”和溫度變化實驗擾亂了水螅的睡眠，就像人類的反應一樣，在受到干擾后，它們第二天的睡眠時間更長，甚至睡眠剝奪也干擾了水螅的細胞增殖。

研究人員發現，睡眠剝奪改變了212個基因的表達，其中一個叫做PRKG基因，這是一種與包括小鼠和果蠅在內的許多動物睡眠模式有關的蛋白質。進一步的研究可能會揭示出與普遍睡眠過程相關的通用基因。
Itoh說：“關于動物的睡眠是如何產生的，還有許多問題有待解決，但水螅是一種易于操作的生物，可以進一步研究無腦動物睡眠的詳細機制，以幫助我們在未來解答這些問題。”

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