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陈琳副主任医师 东直门医院 神经外科 长时间不睡觉会导致动物死亡，但是为什么科学家却说不出确切原因，最新的研究表明，这个问题的答案隐藏在一个我们意想不到的身体部位。清华大学玉泉医院神经外科陈琳牺牲睡眠时间值得吗？科学家正在逐渐揭开睡眠缺失致死的机制 在哈佛医学院一间明亮温暖的房间里，数百只果蝇正在一整排的试管里“熬夜”。它们已经有好几天没有睡过觉了，因为这些试管一直在不停地震动，让它们无法休息，只能尽量贴在试管的盖子上缓一缓。在不远处的另一些试管中，也住着许多从不睡觉的果蝇。研究者对它们大脑中某些神经元的基因进行了微调，使它们在活着的时候一直保持清醒。 当然，这些果蝇的寿命都不长。无论是时刻震动的果蝇，还是经过基因改造的果蝇，最终都很快死亡。事实上，基因改造果蝇的存活时间只有休息良好的对照组的一半。经过连续数天的睡眠剥夺，果蝇的数量急剧下降，直到全部死亡。 众所周知，我们需要睡眠来保持最佳的身体和精神状态，而严重的睡眠缺失会带来更严重且更直接的影响：实验中被完全剥夺睡眠的动物很快就死了。然而，科学家发现，睡眠不足致死的问题并没有想象的那么简单。 哈佛医学院神经生物学助理教授德拉加纳罗古尔加推测，睡眠剥夺的最根本影响始于大脑之外，“可能来自任何地方”。 睡眠从根本上可以视为一种神经系统现象，然而，当睡眠被剥夺的动物死亡时，它们身体中神经系统以外的部分会出现一系列令人困惑的功能问题。人类和实验动物如果长期睡眠不足，就会随着时间的推移而出现一系列健康问题，比如心脏病、高血压、肥胖和糖尿病等等。但其实，对于那些在几天或几周内完全没有睡觉的动物，这些疾病并不是它们死亡的原因。 睡眠有什么重要作用，以至于剥夺睡眠就会导致死亡？这个问题的答案能否解释我们为什么需要睡眠？ 哈佛医学院的研究者德拉加纳试图找到这些问题的答案。在她的实验室中，苍白的光线照射着培养箱，“无眠的果蝇”就在试管中不断地从生存走向死亡。 冬天的一个寒冷早晨，罗古尔加来到办公室。她靠在平板电脑前，开始用图表来解释实验中的一些结论。尽管罗古尔加是一位训练有素的发育神经学家，但她并不认为睡眠剥夺的最根本影响始于大脑。“它可能来自任何地方，”她说，而且看起来可能不像大多数人预计的那样。研究人员推测，睡眠剥夺之所以导致死亡，根源很可能就是一类名为“活性氧”的高度活性分子。在睡眠剥夺的动物肠道中，可以发现活性氧水平的显著提高。 罗古尔加取得了一些支持自己直觉的发现。在近日的《细胞》（Cell）杂志上，她和同事提供了证据，表明当果蝇因睡眠剥夺而死亡时，致命的变化并非发生在大脑中，而是出现于肠道。显微图片显示，靛蓝色的果蝇小肠中出现了明亮的紫红色，揭示出一种能破坏DNA并造成细胞损伤的分子正在累积。在睡眠剥夺开始后不久，这些分子就没有任何预兆地出现了；如果此时让果蝇睡觉，则紫红色会慢慢消退。值得注意的是，如果果蝇摄入了能够中和这些分子的抗氧化剂，那么即使它们不再睡觉也没有关系。它们的寿命和那些得到休息的同类一样长。 这些结果表明，睡眠最基本的功能之一或许也是其他一系列功能的基础，便是调节古老的生物氧化反应。在这一过程中，单个电子的得失决定了分子的功能，影响了从呼吸到新陈代谢等一切活动。研究人员指出，睡眠并不仅仅是神经科学领域的问题，而是更深入地与生物化学联系在一起，并串联起了整个动物王国。 比饥饿更致命 最初研究完全睡眠剥夺的实验带有某种疯狂的性质。 1894年，俄罗斯生化学家玛丽亚在罗马的国际医学大会上发表了一份报告，介绍了她在10只小狗身上所做的实验。她和助手让这些狗一天24小时不睡觉，并且不停地活动；5天之内，所有的小狗都死了。她报告称，睡眠剥夺比饥饿更容易导致幼犬死亡，“对幼犬来说，完全剥夺睡眠比完全剥夺食物更加致命”。 尸检结果显示，这些小狗的组织修复情况相当糟糕，尤其是大脑，到处都是出血、血管受损和其他可怕特征。马纳西纳总结道，睡眠并不是一种无用的习惯，它对大脑健康有着深远的影响。 亚历山德拉瓦卡罗是罗古尔加实验室的博士后研究员，她发现果蝇可以从严重的睡眠剥夺中恢复过来，并拥有正常的寿命。但是，在一段时间内，它们仍然非常容易因再次睡眠剥夺而死亡 在此之后，更多的研究者也开始用狗来进行睡眠剥夺实验。1898年，意大利研究者兰博托达迪（Lamberto Daddi）发表了一份报告，对睡眠剥夺的狗的大脑进行了详细绘图。他报告称，这些狗的大脑出现了明显的退行性损伤，与它们面对其他压力时出现的症状类似。大约在同一时期，精神病学家塞萨尔把狗关在一个装有铃铛的笼子里，每当它们想躺下睡觉时，铃铛就会发出可怕的响声。20世纪20年代，日本的研究人员用布满钉子的笼子进行了类似的实验。 除了都非常残酷之外，这些实验还有一个相似的缺陷：没有设置有效的对照组。这些狗死后，它们的组织看起来很不正常，但这真的是因为它们没有睡觉吗？还是因为不停的行走和刺激本身给予的压力？要把剥夺睡眠的后果与一直站立直到死亡的影响完全分开似乎是不可能的。 旋转的笼子 科学家们花了几十年的时间才重新严肃地对待这个问题。美国芝加哥大学的睡眠研究者艾伦因在嗜睡症方面的开创性工作而闻名于世，在20世纪80年代，他开始设计实验，试图将过度刺激与剥夺睡眠的影响区分开来。他设计了一个转盘形状的鼠笼，悬吊在水面上。笼子中间有一块隔板，可以将大鼠放进其中任意一边，而它们下方的转盘可以自由旋转。实验人员将大鼠成对地放入这个装置，对其中一只大鼠完全剥夺睡眠：每当这只大鼠想睡觉时，研究人员就旋转转盘，将两只大鼠都撞到水里。 当研究人员用抗氧化剂抵消了睡眠剥夺果蝇体内积累的活性氧之后，这些果蝇的寿命恢复了正常。不过，现在还不清楚这一方法是否会削弱睡眠剥夺的其他影响 尽管两只大鼠都同样频繁地掉进水里，但这样的设置确保了当被剥夺睡眠的大鼠处于活动状态时，对照组大鼠仍然可以打个盹儿。事实上，对照组大鼠的睡眠只有正常状态的70%，受到了轻微的睡眠剥夺；而另一只大鼠的睡眠时间不到正常状态的9%，几乎是完全的睡眠剥夺。 两组大鼠被干扰的次数相同，都承受着掉入水中，又不得不游泳求生的压力。但是，只有严重剥夺睡眠的大鼠开始衰弱。它们的毛变得又粗又乱，从白色变成了肮脏的黄色。它们的皮肤上出现了病变，体重也显著减轻。在剥夺睡眠15天（平均值）后，这些大鼠纷纷死亡。里奇沙芬的这种方法证明了睡眠剥夺本身确实会导致死亡。 对于进行这些实验的研究生来说，一天的时间十分漫长。“实验室在一栋公寓楼里，你的卧室就挨着动物实验室，”加州大学欧文分校的精神病学教授、曾与里奇沙芬合作过几年的露丝本卡（Ruth Benca）说，“他们的卧室就在那些动物被剥夺睡眠的房间旁边，这样他们就可以24小时监控。” 在其他方面，这项工作也颇具挑战性。“让动物经历那样的痛苦，在心理上这是非常、非常艰难的实验，”里奇沙芬曾经的研究生、如今是圣路易斯华盛顿大学神经科学教授的保罗肖（Paul Shaw）说道，“在实验的最后7天里，这团乌云会一直萦绕在你的心头。”在距离大鼠死亡还有一两天的时候，实验方案要求让这些大鼠睡觉并观察它们的脑电图。肖回忆道，当监视器中的读数宣告大鼠进入了期待已久的睡眠时，他感到肩膀上的重担卸了下来。“直到今天我还记忆犹新，”他在谈到脑电图读数时说，“我可以把它装在画框里挂在墙上，每一次看到都能让我开心。” 这项残酷的工作同样令人激动。“你必须相信这样做会有结果。没有别的办法，”保罗肖说道。他来到实验室时，之前最先进行这些实验的学生已经获得学位并离开，但他仍然会在会议上听到他们的故事，听到他们追忆当年的兴奋之情。“没有人将拿到博士学位放在心里，”他回忆道，因为他们都想着如果能留下来，“第二天可能就会发现睡眠的功能。” 混乱的死因 本来，里奇沙芬的实验成功应该能让科学家最终发现睡眠剥夺如何导致死亡，并对睡眠不可或缺的原因有更深入的了解。但是，当研究人员对大鼠进行尸检时，他们发现大多数结果反而让这个问题更增添了几分困惑。对照组大鼠和死于睡眠剥夺的大鼠之间，几乎没有一致的显著差异表明是什么导致了它们的死亡。被剥夺睡眠的大鼠体重很轻，肾上腺肿大，“无法鉴定出解剖学上的死因”。 对动物行为的观察揭示了一些更有意思的东西。“在这些精心控制的条件下，长期睡眠剥夺的动物会增加食物摄入，达到正常食量的两到三倍，同时体重减轻，”里奇沙芬的研究生之一、威斯康星医学院的医学和神经生物学教授卡罗尔说，“我们做了各种各样的代谢研究，试图发现是否存在我们可以检测到的损伤。” 然而，睡眠研究领域的研究者有一种强烈的预感，认为关于睡眠最基本功能的答案将在大脑中找到。当时，哈佛大学医学院著名的睡眠研究者约翰艾伦霍布森（John Allan Hobson）刚刚在《自然》（Nature）杂志上发表了一篇论文，题为《睡眠是大脑所有，由大脑支配，又为大脑所用》（Sleep is of the brain， by the brain and for the brain）。肖回忆道，“这抓住了整个睡眠研究领域的时代精神。” 事实上，如今绝大多数睡眠研究仍然集中在大脑和认知障碍等方面。睡眠不足确实会改变人体的新陈代谢——已发现这与糖尿病和代谢综合症有关——但公共卫生研究者往往是唯一关心这一点的人，那些想要了解睡眠基本功能的研究者很少在新陈代谢或其他化学过程中寻求答案。 活性氧 参与调节睡眠的神经元是罗古尔加工作的重点，但睡眠不足会损害循环、消化、免疫系统和新陈代谢的事实让她十分好奇。这些究竟是神经问题的下游影响，还是相互独立的？“似乎不可能全是大脑的问题，”她说道。 她很了解里奇沙芬的实验，并认为“非常经典”，但该实验几乎没有后续研究。在完全睡眠剥夺导致死亡的观点确立之后，研究者基本就不再采用剥夺睡眠的方式来研究睡眠的功能。然而，在随后几十年里，果蝇成为了睡眠领域的主要模式生物，因为它们的基因已经被研究得十分透彻，而且易于操作，在实验室中保存的成本也不高。许多首先在果蝇身上发现的睡眠现象已经在哺乳动物身上得到了证实。于是，随着果蝇作为实验对象的普及，睡眠剥夺的影响似乎再次成为了一个很有前景的研究课题。 2016年，博士后研究员亚历山德拉来到罗古尔加的实验室，两人想出了一个研究计划。首先，她们从其他实验室获得经过基因改造、在某些神经元中具有对温度敏感通道蛋白的果蝇。当温度在28摄氏度以上时，这些通道蛋白会打开并保持开启状态，使神经元保持活跃，即让果蝇保持清醒。在通道关闭的情况下，果蝇的正常寿命为110天；而随着通道打开，果蝇在10天左右就会开始因完全的睡眠剥夺而死亡，并且在20天内全部死亡。 当瓦卡罗进行实验时，有趣的模式出现了。如果在第10天关闭通道，让果蝇睡觉，那它们就会恢复过来，寿命和对照组一样长；但如果在5天或10天后再进行睡眠剥夺，果蝇就会死亡：无论它们在最初的睡眠剥夺中产生了什么损伤，显然都还没有修复。在再次剥夺睡眠之前，只有先让果蝇正常睡眠15天，才不至于使它们立即死亡。 瓦卡罗对不同剥夺睡眠程度的果蝇进行了解剖，发现它们的组织似乎都没有受到损伤，除了一个非常明显的例外：它们的内脏里都充满了活性氧（reactive oxygen species，简称ROS）。这是一类具有高度化学反应活性的含氧分子。一些活性氧是生物体在正常的呼吸、代谢和免疫防御过程中产生的，有时用于特定功能，有时作为副产物。但是，如果活性氧没有被抗氧化酶清除，它们就会变得极其危险，因为不平衡的氧会将电子从DNA、蛋白质和脂类中剥离。事实上，在果蝇被剥夺睡眠一周后，活性氧就出现了，导致氧化损伤的标记物飙升，这是细胞处于危机的标志。 活性氧水平在被睡眠剥夺的第10天达到顶峰。当果蝇开始正常睡眠后，它们的活性氧水平需要大约15天才能再次接近基线，这与果蝇能够承受再次睡眠剥夺的时间相同。 罗古尔加和瓦卡罗没有预料到在项目开始的短短几个月内就有了如此明确的结果。答案来得太容易了，这使她们立刻产生了怀疑。当罗古尔加在一次皮尤生物医学学者会议上展示初步数据时，与会者的兴奋让她有点紧张。“从来从没有这样过，”她说。她更倾向于对研究结果保持谨慎。 因此，在过去的三年里，瓦卡罗、罗古尔加和博士后研究员约瑟夫一直在研究活性氧与睡眠剥夺之间的明显联系。他们用一种更传统的方法剥夺了果蝇的睡眠时间——每两秒钟摇动装有果蝇的试管——然后检查活性氧水平是否与睡眠剥夺水平相关。他们做到了。研究小组观察了具有促进睡眠或清醒的基因突变的果蝇，其中剥夺睡眠的果蝇肠道内发现了活性氧；与此相反的是，耐受睡眠不足的突变果蝇的肠道中没有出现活性氧。 这个项目中最奇怪、最激动人心的时刻到来了。研究人员认为，如果是活性氧的氧化作用杀死了果蝇，那他们也许应该给果蝇提供抗氧化剂。这听起来像是一个滑稽的健康食品实验，但瓦卡罗还是找到了已知对果蝇有效的抗氧化剂，然后喂给了剥夺睡眠的果蝇。令研究人员惊讶的是，这些果蝇的寿命恢复到了正常水平。当研究人员提高果蝇肠道内的抗氧化酶水平时，也发生了同样的情况（但很明显，当他们提高果蝇神经系统的抗氧化酶水平时，情况并非如此）。 “我无法想象在科学中还有什么比这更快乐的，”罗古尔加在谈到那个夏天时说，“在开始给它们服用这些抗氧化剂之后，我们全家，还有整个实验室，都会在早上聚在一起，‘它们还活着！它们不仅活着，而且看起来很好。” 瓦卡罗和实验室的技术人员以及哈佛大学迈克尔实验室的合作者，在小鼠身上进行了一个简化版的果蝇实验。他们把小鼠关在一个装有旋转杆的笼子里，让它们连续5天不睡觉。结果发现，这些小鼠的内脏中出现了活性氧的荧光。 肠道的问题 在保罗肖看来，这个团队新发表的论文非常有趣。“看到他们利用了遗传学的力量，这非常令人兴奋，”他说，“我们放弃了对果蝇进行（机械性）睡眠剥夺直到它们死去的研究计划，因为这需要做许多漫长而艰难的实验。”而且，实验中很难对压力因素进行控制。由于这项新研究同时用基因和机械手段进行睡眠剥夺，因此回避了这个问题。“这太棒了，真的太棒了……我很佩服，”肖说，“我觉得控制得非常好。” 这些研究结果的意义还有待进一步探索。研究人员认为，睡眠对身体的氧化调节至关重要，尤其是在肠道内，而这一点可能会对身体产生广泛的影响。正如罗古尔加等人在新论文中所写的：“用单一手段就可以阻止死亡，这证明了几乎所有主要身体机能的逐渐衰竭都源于一个共同的原因。”对于他们所研究的果蝇，抗氧化剂就是这唯一的手段。 这些研究结果也与此前一系列将氧化过程与睡眠不足联系起来的报道相吻合，尤其是卡罗尔埃弗森所进行的研究。在里奇沙芬的实验室工作时，埃弗森开始对新陈代谢感兴趣。她很早就意识到，尽管大脑是睡眠的管理者，但睡眠不仅仅与神经科学有关。在睡眠剥夺的大鼠身上，她观察到了免疫系统失效的迹象，并在本该无菌的组织中发现了细菌。2016年，她和同事报告称，他们在睡眠剥夺的大鼠肝脏、肺和小肠中发现了氧化现象。埃弗森表示，在睡眠剥夺之后，经常发现组织中漂浮着炎症标志物，但其来源一直不清楚。如果氧化过程在身体的某个地方失去控制，由此产生的细胞损伤就可能导致炎症反应。 埃弗森还发现，睡眠剥夺的大鼠会出现肠道渗漏，将细菌释放到它们的血液中。但从罗古尔加及其同事的观察来看，果蝇的肠道似乎并没有渗漏。在他们检查的其他组织中，活性氧水平似乎也没有升高。尽管果蝇在睡眠剥夺期间有时会吃得更多，但它们肠道内的活性氧水平看起来并没有变化。 目前尚不清楚大鼠和果蝇的实验结果会如何整合起来。伦敦帝国理工学院的睡眠研究者乔治欧指出，尽管这些实验表明活性氧会杀死果蝇，但这并不意味着活性氧也能杀死大鼠。一项针对睡眠不足人群的小型研究表明，肠道微生物群的组成会在睡眠不足后发生变化。这是一个有趣的初步发现，揭示了睡眠和肠道之间的另一种联系。 然而，或许最紧迫的问题是，我们仍不知道活性氧来自哪里，以及为什么会在肠道积聚。是什么过程（代谢或其他过程）产生了活性氧？睡眠不足是否会导致活性氧的过度生成？抑或睡眠不足干扰了正常情况下清除活性氧的过程？为什么活性氧与睡眠有关？罗古尔加计划在未来的实验中探究这些问题。 所有这一切的背后，是睡眠对身体的广泛影响。学习、新陈代谢、记忆和无数其他功能和系统都受到睡眠的影响，而这些影响如果都源于基本的活性氧物质改变，那将非常有趣。但是，即使活性氧是睡眠缺失致死的原因之一，也没有证据表明睡眠对认知的影响是基于同样的机制。即便抗氧化剂能防止果蝇过早死亡，睡眠的其他功能也可能不会受到影响；或者即使受到影响，也可能是出于其他的原因。 这些睡眠剥夺的果蝇和它们发出荧光的肠道提醒我们，睡眠是一种全身性的体验，而不仅仅是大脑与神经的功能。果蝇的死亡或许能够提供睡眠缺失为什么致死的答案，并解释睡眠在连接身体各个不同系统方面所起的作用。保罗肖对罗古尔加的实验室接下来会发生什么很感兴趣。“这是一个非常重要的问题，”他说，“他们已经找到了解决这个问题的方法。” 目前，研究人员正在研究活性氧在肠道积聚并影响身体机能的上游生物途径，他们也希望这项研究有助于未来开发出新的疗法，以抵消睡眠缺失的负面影响。对许多人来说，睡眠不足是生活的一部分。“我们中有许多人都处于长期的睡眠剥夺状态，即使我们知道熬夜不对，但仍会这么做，”罗古尔加说，“我们相信，我们已经确定了一个核心问题，在解决这个问题之后，就能在不睡觉的情况存活，至少对果蝇如此。我们需要了解睡眠剥夺损伤身体的生物学机制，从而找到阻止这种伤害的方法。”（任天）来源：Quanta Magazine作者：维罗妮克格林伍德（Veronique Greenwood）摘自：https://tech.sina.com.cn/d/v/2020-06-13/doc-iircuyvi8221316.shtml2020年06月14日
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