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动物为什么要睡觉?一直醒着会发生什么?

文章作者:www.karenfaunce.com发布时间:2019-09-22浏览次数:1387

我是一名科学家4天前我想分享

作者:Mew奴隶凯茜

首席执行官,Yuki

睡眠对我们人类来说是非常普遍的事情。一个人在睡眠中度过了大约三分之一的生命。但对于那些生活在大自然中的野生动物来说,睡眠可能很危险。睡觉时,身体对外界刺激的敏感性降低,这意味着对危险的警觉性降低,这对野生动物来说可能是致命的。

睡觉对野生动物来说可能是一件危险的事情到到

那么为什么身体对睡眠的需求不被“消除”,而是存在于地球上几乎所有生物中?最近,来自以色列的Lior和他的研究团队表示,睡眠可能是保持我们大脑清醒的代价,并且发现证据支持斑马鱼的这一假设[1]。

精选斑马鱼

您可能会问,为什么科学家们使用斑马鱼作为研究对象?事实上,斑马鱼是一种典型的“模型生物”(科学家已经广泛研究过这种生物以揭示具有普遍规律生命现象的机制)。它们都是透明的,因此科学家们可以在正常生理条件下观察活体斑马鱼(未经屠宰)的神经元变化。与此同时,斑马鱼脑的结构与人类非常相似。得出的结论对于理解人脑的相关机制也很有用。

斑马鱼幼虫(左)和四种常见斑马鱼成虫有不同的变异。 (成虫为野生型,豹型,白化和长鳍,从左到右,从上到下,实验中最常见的是野生型)参考文献[2]

对于哺乳动物,很容易判断它是否处于睡眠状态(不包括睡眠).长时间闭眼,几乎一动不动,有些声音无法唤醒它。

那么你怎么知道鱼是否正在睡觉?这很难阻止科学家强大的脑筋和强大的执行力。许多年前,科学家已经建立了斑马鱼行为观察系统,通过观察斑马鱼的行为来定义他们的睡眠状态:睡眠中斑马鱼的数量减少(不到1分钟)同时,对外界的反应是慢(科学家称之为“更高的睡眠觉醒阈值”)。通过观察和记录斑马鱼的活动,科学家们可以知道他们是处于“睡眠”还是“清醒”状态[3]。

通过观察斑马鱼的睡眠行为,Lior团队发现了睡眠在大脑中发挥不可替代作用的重要作用。

醒着时DNA会继续受损

在介绍睡眠的作用之前,让我们告诉你一个可怕的事实:当我们清醒时,大脑神经元会继续累积DNA损伤。这些DNA损伤是从哪里来的?事实上,许多因素都会导致神经元DNA损伤,如电离辐射,核酶,以及我们的“老朋友”氧自由基,甚至正常的神经元生理活动也会造成DNA损伤。给予栗子,当本能地探索新环境时,小鼠也会导致神经元DNA损伤[4]。

醒来时脑神经元继续累积DNA损伤到到网

那么,神经元的DNA损伤会继续以这种方式累积吗? Lior团队发现斑马鱼在“清醒”时会累积大量受损DNA,但当他们在夜间“睡觉”时,累积的DNA损伤会消失很多。这表明这些损害的DNA已被删除,那么这些DNA损伤的清除是什么?

白天DNA损伤程度(红色)高于夜间|参考文献[1]

根据先前的研究,一些染色体动态活动(如染色质编码)与大量生物节律相关基因的表达有关[5]。研究人员打开了大脑并认为DNA损伤与染色体无关,因此他们设计了一系列实验来验证睡眠,DNA损伤和染色体动态之间的关系。

清醒需要“成本”

Lior团队发现斑马鱼神经元染色体在夜间更活跃,并且在失眠的四小时内(人为地剥夺了睡眠),神经元染色体的动力学急剧下降。此外,在“强迫睡眠”(褪黑激素治疗)的三个小时内,斑马鱼神经元的染色体动力学水平显着增加。这些发现表明睡眠确实与斑马鱼神经元中的染色体动力学相关。

研究人员还观察到昼夜节律中DNA损伤和染色体动力学的变化,发现两者表现出相反的趋势。是DNA损伤在白天累积,在夜间逐渐减少;而染色体动力学的水平是在白天。较低,在夜间急剧增加。这也证明了DNA损伤积累与染色体动态水平之间的相关性。

为了进一步研究睡眠,DNA损伤和染色体动态之间的因果关系,Lior团队进行了下一个实验(继续抛弃这些斑马鱼)。

DNA损伤水平和染色体动态水平显示相反的趋势(橙色线是染色体动态水平,蓝线是DNA损伤水平)|参考文献[1]

首先,他们排除了由于神经元活动增加导致染色体动态水平直接降低的可能性。在DNA损伤的最低水平(晚上),它们通过化合物抑制神经元活动。结果显示,即使神经元活动减少,染色体仍然干燥,动力学没有变化。这表明神经元活动不会直接引起染色体动态水平的变化。

接下来,Lior团队开始测试睡眠,DNA损伤和染色体动态水平之间的直接关系。他们想到了一个好的(损害)方法(斑马鱼:让我走.):在观察斑马鱼的同时,将导致DNA双链断裂的化合物依托泊苷(ETO)添加到斑马鱼生活的鱼缸中染色体动态水平,DNA损伤和睡眠。

他们发现,在白天服用两小时后,斑马鱼的DNA损伤水平显着增加,但睡眠时间和染色体动态没有显着变化;撤离ETO后一小时,斑马鱼的睡眠时间开始增加。然而,染色体动态水平没有显着变化;在斑马鱼睡眠时间增加一小时后,染色体动力学水平加倍,DNA损伤水平显着降低。晚上添加ETO会对斑马鱼造成额外的DNA损伤,并使染色体动态水平显着降低。这表明神经元DNA损伤和染色体动态水平的增加不会同时发生。白天引起的DNA损伤的累积将导致斑马鱼进入睡眠状态,睡眠将导致染色体动力学水平的增加,导致DNA损伤水平逐渐下降。

Lori团队提出的睡眠作用机制:清醒状态(平衡左侧),DNA损伤(DSBs)不断累积(黄色标记增加),染色体动态(染色体动态)低(蓝色曲线长度变化为小);在睡眠中(平衡的右侧),染色体动力学水平升高(蓝色曲线的长度变长),DNA损伤水平降低(黄色标记减少)|参考文献[1]

这就像我们生活中的道路。白天的车比晚上多,车道越来越多,修路的最佳时间是车的较少的夜晚。由于睡眠期间(道路修复)染色体动态水平的增加,睡眠对大脑(道路)有益,并且动态水平的这种增加是白天DNA损伤(磨损)清除所必需的[1]。

虽然,除神经元以外的细胞(如表皮细胞和施万细胞)也不会出现同样的情况,但这足以反映睡眠在我们大脑中的重要作用。睡眠可能会在我们大脑清醒时得到补偿活动的“成本”,睡眠不足的结果可能是致命的。

这样,当你累了,就必须“修理”(似乎找到合适的床铺理由)。

排版:冷凝

参考文献:

[1] Zada,D。等人,睡眠增加染色体动力学,以减少单个神经元中累积的DNA损伤。自然通讯,2019。10(1): p。 895-895。

[2] Kalueff,A.V.A.M。斯图尔特和R. Gerlai,斑马鱼作为研究复杂脑部疾病的新兴模型。药理科学趋势,2014。35(2): p。 63-75。

[3] Yokogawa,T。等人,斑马鱼的睡眠特征和hypocretin受体突变体的失眠症。 PLoS Biol,2007。5(10): p。 E277。

[4] Suberbielle,E。等人,生理性脑活动导致神经元DNA双链断裂,淀粉样蛋白β加剧。 Nat Neurosci,2013。16(5): p。 613-21。

[5] Lieber,M.R.双链DNA通过非同源DNA末端连接途径破坏修复的机制。 Annu Rev Biochem,2010。79: p。 181-211。

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作者:Mew奴隶凯茜

首席执行官,Yuki

睡眠对我们人类来说是非常普遍的事情。一个人在睡眠中度过了大约三分之一的生命。但对于那些生活在大自然中的野生动物来说,睡眠可能很危险。睡觉时,身体对外界刺激的敏感性降低,这意味着对危险的警觉性降低,这对野生动物来说可能是致命的。

睡觉对野生动物来说可能是一件危险的事情到到

那么为什么身体对睡眠的需求不被“消除”,而是存在于地球上几乎所有生物中?最近,来自以色列的Lior和他的研究团队表示,睡眠可能是保持我们大脑清醒的代价,并且发现证据支持斑马鱼的这一假设[1]。

精选斑马鱼

您可能会问,为什么科学家们使用斑马鱼作为研究对象?事实上,斑马鱼是一种典型的“模型生物”(科学家已经广泛研究过这种生物以揭示具有普遍规律生命现象的机制)。它们都是透明的,因此科学家们可以在正常生理条件下观察活体斑马鱼(未经屠宰)的神经元变化。与此同时,斑马鱼脑的结构与人类非常相似。得出的结论对于理解人脑的相关机制也很有用。

斑马鱼幼虫(左)和四种常见斑马鱼成虫有不同的变异。 (成虫为野生型,豹型,白化和长鳍,从左到右,从上到下,实验中最常见的是野生型)参考文献[2]

对于哺乳动物,很容易判断它是否处于睡眠状态(不包括睡眠).长时间闭眼,几乎一动不动,有些声音无法唤醒它。

那么你怎么知道鱼是否正在睡觉?这很难阻止科学家强大的脑筋和强大的执行力。许多年前,科学家已经建立了斑马鱼行为观察系统,通过观察斑马鱼的行为来定义他们的睡眠状态:睡眠中斑马鱼的数量减少(不到1分钟)同时,对外界的反应是慢(科学家称之为“更高的睡眠觉醒阈值”)。通过观察和记录斑马鱼的活动,科学家们可以知道他们是处于“睡眠”还是“清醒”状态[3]。

通过观察斑马鱼的睡眠行为,Lior团队发现了睡眠在大脑中发挥不可替代作用的重要作用。

醒着时DNA会继续受损

在介绍睡眠的作用之前,让我们告诉你一个可怕的事实:当我们清醒时,大脑神经元会继续累积DNA损伤。这些DNA损伤是从哪里来的?事实上,许多因素都会导致神经元DNA损伤,如电离辐射,核酶,以及我们的“老朋友”氧自由基,甚至正常的神经元生理活动也会造成DNA损伤。给予栗子,当本能地探索新环境时,小鼠也会导致神经元DNA损伤[4]。

醒来时脑神经元继续累积DNA损伤到到网

那么,神经元的DNA损伤会继续以这种方式累积吗? Lior团队发现斑马鱼在“清醒”时会累积大量受损DNA,但当他们在夜间“睡觉”时,累积的DNA损伤会消失很多。这表明这些损害的DNA已被删除,那么这些DNA损伤的清除是什么?

白天DNA损伤程度(红色)高于夜间|参考文献[1]

根据先前的研究,一些染色体动态活动(如染色质编码)与大量生物节律相关基因的表达有关[5]。研究人员打开了大脑并认为DNA损伤与染色体无关,因此他们设计了一系列实验来验证睡眠,DNA损伤和染色体动态之间的关系。

清醒需要“成本”

Lior团队发现斑马鱼神经元染色体在夜间更活跃,并且在失眠的四小时内(人为地剥夺了睡眠),神经元染色体的动力学急剧下降。此外,在“强迫睡眠”(褪黑激素治疗)的三个小时内,斑马鱼神经元的染色体动力学水平显着增加。这些发现表明睡眠确实与斑马鱼神经元中的染色体动力学相关。

研究人员还观察到昼夜节律中DNA损伤和染色体动力学的变化,发现两者表现出相反的趋势。是DNA损伤在白天累积,在夜间逐渐减少;而染色体动力学的水平是在白天。较低,在夜间急剧增加。这也证明了DNA损伤积累与染色体动态水平之间的相关性。

为了进一步研究睡眠,DNA损伤和染色体动态之间的因果关系,Lior团队进行了下一个实验(继续抛弃这些斑马鱼)。

DNA损伤水平和染色体动态水平显示相反的趋势(橙色线是染色体动态水平,蓝线是DNA损伤水平)|参考文献[1]

首先,他们排除了由于神经元活动增加导致染色体动态水平直接降低的可能性。在DNA损伤的最低水平(晚上),它们通过化合物抑制神经元活动。结果显示,即使神经元活动减少,染色体仍然干燥,动力学没有变化。这表明神经元活动不会直接引起染色体动态水平的变化。

接下来,Lior团队开始测试睡眠、DNA损伤和染色体动力学水平之间的直接关系。他们想出了一个好的(损伤)方法(斑马鱼:让我走…):在观察斑马鱼染色体动态水平、DNA损伤和睡眠的同时,将导致DNA双链断裂的化合物依托泊苷(ETO)添加到斑马鱼生活的鱼缸中。

他们发现,在白天给药两小时后,斑马鱼的DNA损伤水平显着增加,但睡眠时间和染色体动力学没有显着变化;在停用ETO一小时后,斑马鱼的睡眠时间开始增加。然而,染色体动力学水平没有显着变化;斑马鱼睡眠时间增加一小时后,染色体动力学水平增加了一倍,DNA损伤水平显着降低。夜间添加ETO会对斑马鱼造成额外的DNA损伤,并显着降低染色体动力学水平。这表明神经元DNA损伤和染色体动力学水平的增加不会同时发生。白天造成的DNA损伤的积累会使斑马鱼进入睡眠状态,睡眠会导致染色体动力学水平的增加,导致DNA损伤水平的逐渐下降。

Lori团队提出的睡眠作用机制:清醒状态(平衡左侧)、DNA损伤(DSB)持续累积(黄色标签增加),染色体动力学(染色体动力学)较低(蓝色曲线长度变化较小);睡眠下(BA右侧)Lance),染色体动力学水平升高(蓝色曲线长度变长),DNA损伤水平降低(黄色标签减少)参考文献[1]

这就像我们生活中的道路。白天的车比晚上多,车道越来越多,修路的最佳时间是车的较少的夜晚。由于睡眠期间(道路修复)染色体动态水平的增加,睡眠对大脑(道路)有益,并且动态水平的这种增加是白天DNA损伤(磨损)清除所必需的[1]。

虽然,除神经元以外的细胞(如表皮细胞和施万细胞)也不会出现同样的情况,但这足以反映睡眠在我们大脑中的重要作用。睡眠可能会在我们大脑清醒时得到补偿活动的“成本”,睡眠不足的结果可能是致命的。

这样,当你累了,就必须“修理”(似乎找到合适的床铺理由)。

排版:冷凝

参考文献:

[1] Zada,D。等人,睡眠增加染色体动力学,以减少单个神经元中累积的DNA损伤。自然通讯,2019。10(1): p。 895-895。

[2] Kalueff,A.V.A.M。斯图尔特和R. Gerlai,斑马鱼作为研究复杂脑部疾病的新兴模型。药理科学趋势,2014。35(2): p。 63-75。

[3] Yokogawa,T。等人,斑马鱼的睡眠特征和hypocretin受体突变体的失眠症。 PLoS Biol,2007。5(10): p。 E277。

[4] Suberbielle,E。等人,生理性脑活动导致神经元DNA双链断裂,淀粉样蛋白β加剧。 Nat Neurosci,2013。16(5): p。 613-21。

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