为什么动物会睡觉?为什么人类会“浪费”三分之一的时间睡觉?在整个进化过程中,睡眠对所有神经系统的生物而言,都是不可或缺的。即便是无脊椎动物像是苍蝇、蠕虫甚至是水母也是如此。动物为何睡觉?这被认为是生命科学中最重要的未解问题之一,时至今日依旧是个未解之谜。

如今,以色列巴伊兰大学的研究人员揭示了一种新的意想不到的睡眠功能,它可以解释睡眠和睡眠障碍如何影响大脑性能、衰老和各种大脑疾病。研究成果发布在《Nature Communications》杂志上,该研究利用活体斑马鱼的3D延时成像技术,研究人员用单染色体分辨率来定义睡眠,并首次证明单个神经元需要睡眠来进行核维持。

DNA损伤可以由许多过程引起,包括辐射、氧化应激,甚至神经元活动。每个细胞内的DNA修复系统可以修复这种损伤。目前的研究表明,在清醒时当染色体动力学较低,DNA损伤会不断累积并达到不安全水平。睡眠的作用是增加染色体动态,使每个神经元中DNA损伤的水平正常化。显然,这种DNA维持过程在清醒期间效率不高,需要睡眠,减少大脑输入才能发生。

活幼虫中单个神经元(红色,虚线框)中染色体动态(绿色)的成像。图片来源:David Zada

“这就像路上的坑洞,道路会积累磨损,特别是在白天的高峰时段,在夜间交通稀少的时候修路才是最方便和最有效的。”巴伊兰大学生命科学学院教授Lior Appelbaum说道。

Appelbaum教授把DNA损伤的积累称之为“清醒的代价”,他和他的研究伙伴们假设,睡眠可以巩固和同步单个神经元的核维持,并着手证实这一理论。

活体斑马鱼中染色体动态(红色)和神经元活动(绿色)的同时成像。图片来源:David Zada

研究人员利用高分辨率显微镜,在斑马鱼清醒和睡眠状态时,可以在体内观察细胞内DNA和核蛋白的运动。研究人员惊讶地发现,当身体休息的时候,染色体夜间更活跃,就是这种增加的活性使修复DNA损伤的效率得以提高。

研究结果表明,染色体动力学可以作为确定单个睡眠细胞的潜在标志,并提出睡眠的恢复功能是核维持。 “我们发现了睡眠、染色体动力学、神经元活动、DNA损伤和修复与整个生物体有直接的生理相关性。睡眠有助于减少清醒时大脑中积累的DNA损伤。” Appelbaum教授说。

Appelbaum教授总结说:“尽管存在对环境意识降低的风险,但动物必须睡眠让其神经元执行有效的DNA维护,这可能是睡眠在动物界进化和如此保守的原因。”

转载自生物探索