先有大脑，还是先有睡眠？ScienceAdvances解密：睡眠先于大脑进化

编者按：本文来自微信公众号“新智元”（ID:AI_era），作者：新智元，来源：外媒，编辑：LQ，36氪经授权发布。

动物是从什么时候开始需要睡眠的？大脑是产生睡眠的前提吗？ScienceAdvances解密：原来睡眠比大脑出现的还要早。

水螅，又名九头蛇，是一种简单的生物。

身长不到半英寸，管状的身体一端有一只脚，另一端有一个嘴。

脚紧贴在水面上，也许是植物或岩石上面，嘴巴周围是触须，它会诱捕经过的水蚤。

水螅没有大脑，甚至连神经系统都没有。

新的研究表明，它会睡觉。

韩国和日本的一个研究小组的研究表明，水螅会周期性地进入休息状态，这一状态符合睡眠的基本标准。

乍一看，这似乎不太可能。一个多世纪以来，研究睡眠的人员一直在大脑中寻找睡眠的目的和结构。他们研究了睡眠与记忆和学习的关系。对把我们推入昏睡状态又把我们拉出来的神经回路进行了编号。

他们已经记录了标记我们通过不同睡眠阶段的脑电波的能说明问题的变化，试图理解是什么驱动了这些变化。大量的研究和人们的日常经验证明了人类睡眠与大脑的联系。

但是与这种以大脑为中心的睡眠观点相对应的观点已经出现。研究人员已经注意到，由肌肉和神经系统以外的其他组织产生的分子可以调节睡眠。睡眠影响身体的新陈代谢，这表明它的影响不仅仅是神经上的。

数十年来一直在稳步增长的研究表明，大脑越来越少的简单生物体花费大量时间做一些看起来很像睡眠的事情。

有时他们的行为被归类为「嗜睡」，但随着更多细节被发现，这种区分的必要性变得越来越模糊。

似乎那些简单的生物，现在包括无脑水螅都可以睡觉。这个发现提供了一个有趣的暗示：埋藏在生命历史的几十亿年前，睡眠最初的作用可能与标准的人类观念有很大的不同。如果睡眠不需要大脑，那么睡眠这一现象可能大大超越我们的想象。

识别睡眠

法国睡眠科学家Henri Piéron在1913年写道: 睡眠不同于冬眠、昏迷、醉酒或任何其他静止状态。

尽管所有这些都涉及到表面上相似的运动缺失，但每个都有其特性，而且我们的「意识体验」的「日常中断」特别神秘。没有它，人会变得模糊不清，困惑不解，无法清晰思考。对于那些想更多了解睡眠的研究人员来说，了解睡眠对大脑的影响至关重要。

所以，在20世纪中叶，如果你想研究睡眠，你就成了脑电图的专家。在人、猫或老鼠身上放置电极，研究人员就可以明显精确地判断受试者是否在睡觉，以及他们处于何种睡眠阶段。

这种方法带来了许多见解，但是它在科学上留下了一个偏见: 几乎我们所学到的关于睡眠的一切都来自于可以安装电极的动物，而且睡眠的特征越来越多地被定义为与之相关的大脑活动。

上世纪70年代末，在苏黎世大学工作的睡眠生理学家 Irene Tobler 对此感到沮丧，她开始研究蟑螂的行为，她对像昆虫这样的无脊椎动物是否像哺乳动物那样睡觉感到好奇。读过Piéron和其他人的书后，Tobler知道睡眠也可以被定义为行为。

她提炼出一套行为标准，在没有脑电图的情况下识别睡眠。睡着的动物不会四处走动。它比单纯休息的人更难被唤醒。它可能会采取不同于醒着时的姿势，或者它可能会寻找一个特定的睡眠位置。一旦被唤醒，它的行为就会变得正常而不是懒散。Tobler从她对老鼠的研究中得出了她自己的标准: 一只睡眠中受到干扰的动物会比平时睡得更久或更深，这种现象被称为「睡眠内环境平衡」（sleep homeostasis）。

图源：Irene Tobler

Tobler很快提出了她的观点，即蟑螂不是在睡觉就是在做类似的事情。她的同事们立即做出回应，他们中的大多数人研究的是高等哺乳动物。

Tobler说: 「甚至考虑这个问题都是异端邪说。我小时候，他们确实取笑过我。这不是很愉快。但我觉得时间会告诉我答案。」

她研究了蝎子、长颈鹿、仓鼠和猫，总共22种。她确信科学最终会证实睡眠是普遍存在的，在后来的睡眠研究中，她的「行为标准」将被证明是至关重要的。

20世纪90年代末，宾夕法尼亚大学医学学院的Amita Sehgal，现在在圣路易斯的华盛顿大学医学院的Paul Shaw和他们的同事就已经考虑过这些标准。

Amita Sehgal

他们是两个独立研究小组的成员，这两个小组已经开始密切关注果蝇的静止状态。

Sehgal 说，睡眠仍然是心理学家的主要领域，而不是研究遗传学或细胞生物学的科学家。关于机制，从分子生物学家的角度来看，“睡眠场处于睡眠状态。

然而，随着调节人体24小时生物钟的基因的发现，生物钟生物学的邻近领域的活动正在爆炸。如果睡眠背后的分子机制能够被揭示出来，如果像果蝇这样理解透彻的模式生物能够被用来研究它们，那么睡眠科学也有可能发生革命。

像Tobler研究的蟑螂和蝎子这样的果蝇，很难连接到脑电图机上。但是他们可以被细致地观察，并且他们对剥夺的反应可以被记录下来。

用越来越少的大脑

2000年1月，Sehgal 和她的同事发表了论文，断言苍蝇在睡觉。那年三月，Shaw和他的同事们发表了他们的平行研究，证实了这一说法。

Shaw说，该领域仍然不愿承认无脊椎动物中存在真正的睡眠，人类的睡眠可以用苍蝇来有效地研究。但是苍蝇证明了它们的价值。

今天，超过50个实验室使用果蝇来研究睡眠，这些发现表明，动物王国的睡眠具有一系列核心特征。生物学家并没有停止研究苍蝇。

Shaw 表示：「一旦我们证明苍蝇是睡着的,那么就可以说任何东西都是睡着的。」

研究人员在其他物种身上研究的睡眠并不总是与标准的人类睡眠类型相似。研究人员发现，海豚和迁徙的鸟类在看起来清醒的时候，可以让半个大脑进入睡眠状态。大象几乎每时每刻都醒着，而小棕蝙蝠几乎每时每刻都在睡觉。

2008年，David Raizen和他的同事甚至报告了秀丽隐杆线虫的睡眠情况，这种线虫在生物实验室被广泛用作模式生物。

它们只有959个体细胞(除去生殖腺) ，其中302个神经元主要聚集在头部的几个簇中。与许多其他生物不同，秀丽隐杆线虫一生中不会有一部分时间睡觉。

相反，它在发育过程中会短时间睡一会儿。成年后，在经历一段时间的压力之后，它也会睡觉。

大约五年前，随着对水母的研究，神经系统极少的生物进入睡眠状态的证据似乎达到了新的高度。

仙后水母，大约4英寸长，大部分时间都是上下颠倒的，触角伸向海面，搏动着把海水推进它们的身体。

当现在加州大学伯克利分校的研究员Michael Abrams和另外两名加州理工学院的研究生继续着托布勒在研究蟑螂时所遵循的研究路线，调查是否在更简单的生物体中存在睡眠。

如果水母睡觉，这表明睡眠可能是在10亿年前进化而来的，可能是动物王国中几乎所有生物的基本功能，其中许多生物没有大脑。 

这是因为，在动物中，水母是进化中最远的哺乳动物。与观察到的其他生物不同，仙后水母没有大脑，也没有中枢神经系统。但是它们可以移动，并且有一段时间的休息。加州理工学院的学生们推断，对他们应用行为睡眠的标准应该是可能的。

最初的几个框相对来说比较容易检查。虽然水母昼夜不停地脉动，但Abrams和他的合作者证明，在夜间，脉动的速度以一种特有的方式减慢，动物们可以通过一些努力从这种状态中被唤醒。(也有迹象表明，在这些较为安静的时期，水母喜欢在水箱里的平台上摆出一个特别的姿势，但Abrams认为这些证据仍然是轶事。)

测试水母是否具有睡眠稳定性要困难得多，而且需要找到一些方法来温和地打扰它们而不让它们烦恼。最后，Abrams和他的合作者决定把平台从他们下面扔出去; 当这种情况发生时，仙后水母就会下沉又上升，以他们白天的速度跳动。

后来，水母体内稳定调节的迹象出现了: 水母受到的干扰越多，它们第二天的活动就越少。

Abrams说: 「直到我们看到了内环境稳定规律，我们才相信这一点。」

有背景的睡眠

水螅的身体和神经系统甚至比仙后水母还要简陋。然而，来自日本九州大学和韩国蔚山国立科学技术研究所的研究人员证明，一旦水螅进入静止状态，光的脉冲会唤醒它，在反复剥夺睡眠后，它的睡眠时间会更长。

水螅睡眠有它的特点: 多巴胺，通常使动物睡得更少，导致水螅静止不动。水螅似乎并不是24小时睡眠周期，而是每四个小时就有一部分时间睡眠。

尽管存在这些差异，水螅睡眠可能在基因组水平上与其他动物的睡眠重叠。当研究人员在水螅中寻找被睡眠剥夺改变的基因活性时，他们看到了一些熟悉的基因。

九州大学助理教授、这项新研究的领导者伊藤太一在给电子邮件中写道: 「至少在其他动物身上保留的一些基因参与了水螅的睡眠调节。」

这一发现表明，水螅和水母等在从其他动物群体的祖先分化出来之前，已经具有一些调节睡眠的遗传成分。随着这些动物逐渐进化出中枢神经系统，睡眠可能为了维持这些系统而承担了新的功能。

那么，在没有大脑的情况下，睡眠能做什么呢？至少对于一些动物来说，睡眠主要具有代谢功能，允许某些生化反应发生，而这些反应在醒着的时候是不会发生的。

它可能会将用于警觉和运动的能量转移到其他过程中，这些过程在动物醒着的时候发生代价太高。

例如，秀丽隐杆线虫似乎利用睡眠来促进身体的生长和支持组织的修复。在缺乏睡眠的水合物中，作为日常生活一部分的细胞分裂被暂停。在睡眠不足的老鼠和果蝇的大脑中也发现了类似的现象。

管理能量的流动可能是睡眠的一个中心作用。

所有这些关于非常简单的睡眠者的研究提出了关于第一个睡觉的生物体的问题。第一个沉睡者，不管它是什么，可能在10亿年前就消失了。

如果它是水螅和人类的共同祖先，那么它很可能拥有神经元和类似肌肉的东西，使它能够活动ーー这种活动的缺失是它的睡眠的特征，满足了它的特殊需要。

如果那只动物睡着了，那么不管那是什么情况，都是在睡觉。睡眠可能有助于维持第一个睡眠者的初级神经系统，但也可能同样有利于新陈代谢或消化。「在我们有了大脑之前，我们有了内脏,」Abrams说。

还有更深层次的问题。

在2019年的一篇论文中，Raizen 和他的合作者提出: 如果睡眠发生在神经元中，那么可以睡眠的最少神经元数量是多少？对睡眠的需求是否能像肝脏和肌肉细胞所暗示的那样，由其他类型的细胞驱动？

Raizen 问道: 「如果你真的想挑战极限，那么根本没有神经元的动物会睡觉吗?」

事实上，有一些生物的行为可能有一天会揭示答案。扁盘动物是一种微小的多细胞生物，似乎是动物王国中最简单的生物之一，它们对周围环境进行移动并做出反应。

它们没有神经元，也没有肌肉。海绵动物也是如此，它们固定在某个地方，但仍然会对周围环境做出反应。

「经常有人问我，‘海绵动物会睡觉吗? 这是一个全新的世界。可能有方法来验证这一点。」Abrams说。

参考资料

https://www.quantamagazine.org/sleep-evolved-before-brains-hydras-are-living-proof-20210518/

https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabb9415

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