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为什么我们需要睡眠 以色列科学家解开了这个谜团

导读我们都睡了从水母到褶边颈蜥到飞鼠到人类,对睡眠的需求是普遍的。但是,失眠最终导致死亡的生物学原因一直是个谜。现在Bar-Ilan大学的一

我们都睡了从水母到褶边颈蜥到飞鼠到人类,对睡眠的需求是普遍的。但是,失眠最终导致死亡的生物学原因一直是个谜。

现在Bar-Ilan大学的一篇论文周二发表在Nature Communications杂志上,提出了一个开创性的理论:当我们睡觉时,我们的神经细胞会暂停其常规功能,释放资源以减少在清醒过程中积累的DNA损伤。睡眠没有进化意义,因为对于贫民窟来说,这是一个非常脆弱的时间。你比被清醒时更容易被掠食者吃掉。那么我们为什么要进化到需要睡眠?众所周知,失去睡眠会影响大脑表现,例如记忆和学习,从果蝇到人类。这强烈认为睡眠在生物化学上是必不可少的,而睡眠剥夺导致某种逐渐的系统在大脑中崩溃。

现在,Bar-Ilan大学的Mina和Everard Goodman生命科学学院和Gonda(Goldschmied)多学科脑研究中心的Lior Appelbaum教授相信他和他的同事已经发现了生物学原因。Appelbaum监督由研究生David Zada领导的研究。基于在睡眠和觉醒期间观察活透明鱼中的单个神经元,他们得出结论,如果生物体不睡觉,其神经细胞不会“断电”并且不能有效地进行DNA维持

研究小组假设,累积神经元DNA失修可能会解释睡眠和睡眠障碍如何影响大脑表现,甚至衰老和各种大脑疾病。当整个有机体睡觉时,我们现在可以定义单个睡眠细胞,”Appelbaum告诉Haaretz。“这是我们第一次展示生物体的睡眠如何影响特定单个神经元中染色体的运动和DNA维持。”

睡眠和单细胞

有问题的鱼是斑马鱼,最初来自喜马拉雅山的条纹淡水小鱼,并且适当耐寒,已经成为一种受欢迎的水族宠物 - 和研究对象。对大脑研究人员来说幸运的是,当斑马鱼年轻时,它们是透明的。甚至他们的头骨都是透明的,这使得它们非常适合观察他们小脑中发生的事情。重要的是,像人类一样,斑马鱼在夜间睡觉。除了人类和其他一些动物的红细胞外,我们所有的细胞都有DNA。从每个细胞形成的那一刻起,它的DNA开始受到损害。各种各样的东西都会破坏DNA,例如氧化剂,日光浴(在皮肤细胞的情况下)甚至神经元活动本身。

但理论上,损伤应该由DNA修复酶修复。

当被问及当斑马鱼神经元在线还是离线时他们究竟能看到什么,Appelbaum说研究人员开发了一种方法来标记鱼的DNA中的染色体并跟踪它们在神经元内部的运动。他们的成像实现了在单个鱼脑神经元中看到这些染色体的分辨率。研究人员利用3D延时摄影和带有明显染色体的活体斑马鱼,发现当鱼清醒时,细胞核中的染色体运动减弱,DNA损伤累积。如果清醒持续存在,这种伤害可能会达到不安全的程度。长期睡眠剥夺后,神经细胞会死亡。但在睡眠期间,染色体运动更快。这种快速运动是高效细胞核维持的表现。换句话说,睡眠使每个神经元中DNA损伤的水平正常化,研究人员说。当有机体及其神经清醒时,DNA维持效率不高;有机体需要离线睡眠期,减少对大脑的输入以使修复正常。“这就像路上的坑洼,”Appelbaum说。“道路累积磨损,特别是在白天的高峰时段,在夜间交通繁忙时,最方便,最有效的方法。”非神经细胞怎么样?当动物睡觉时,他们还能修复DNA吗?可能不是。

研究人员测试了另外两种细胞类型,Appelbaum说:内皮细胞(血管系统)和神经胶质细胞。他们没有发现白天和黑夜之间染色体动态和DNA损伤的差异。“我们建议这种机制特异于神经元。然而,未来的工作应该在其他细胞类型中测试这些过程,例如肌肉,“他说。

当神经元离线时

最重要的是,当鱼睡觉时,染色体周围的运动逐渐增加,并且活动的增加被证明对于有效的DNA修复是必不可少的。白天在细胞核中有一些运动;神经元中有明显的DNA修复。但只有当斑马鱼睡觉时,平衡才会向修复倾斜。实验证实了这一发现;例如,通过将褪黑激素放入水中使鱼在白天的清醒期中间睡眠,并拍摄睡眠依赖性的染色体运动增加和有效修复。或者通过化学诱导鱼类中的DNA损伤 - 随后增加睡眠并使这种损伤正常化。

Appelbaum指出,我们已经知道了一百年的睡眠有助于记忆和学习,以及一般的大脑表现,但问题仍然是它在单神经元水平上做了什么。现在我们知道了。“我们相信,在正常情况下,当我们感到疲倦时,对神经元DNA的累积损伤会以某种方式表明大脑会进入睡眠状态,”他说。当被问及所有神经元是否在有机体睡觉时睡觉时,如果它们都可能睡眠相似,那么Appelbaum指出我们的大脑在睡眠期间不会关闭;他们进入另一个州。“也许不同的神经元需要不同的睡眠量,”他说。“而且,很可能并非每个神经元都会在感觉到的时候进入睡眠状态。这会导致混乱,大脑必须在白天正常运作。Evolution通过一个统一的,同步的睡眠时间开发了大脑,致力于细胞维护。“

该研究的下一阶段将是寻找在睡眠期间,大脑区域内特别活跃的神经元。另一个问题是在梦境中我们的DNA修复工具包会发生什么 - 我们并不是唯一梦想的人。去年发表的研究得出的结论是,像蜥蜴一样远的动物也可以做梦。

与神经退行性疾病的关联也是可能的。慢性睡眠丧失可能增加由于DNA损伤导致神经细胞死亡的风险。Appelbaum指出,许多脑部疾病的一个症状是失眠。博士生David Zada是该研究的第一作者,共有作者Tali Lerer-Goldshtein博士,Irina Bronshtein博士和Yuval Garini教授,均来自Bar-Ilan大学。

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