晝夜節(jié)律和睡眠穩(wěn)態(tài)是共同進(jìn)化而來(lái)的生物現(xiàn)象，前者控制人類(lèi)何時(shí)入睡，后者控制每天要睡多久。在果蠅、小鼠和人類(lèi)中，都能觀察到這兩種行為共同作用來(lái)控制動(dòng)物的周期性睡眠。隨著近年來(lái)對(duì)各種模式生物的研究，科研人員對(duì)分別調(diào)控這兩種行為的分子和神經(jīng)通路了解得很多。但在大多數(shù)生物中，對(duì)節(jié)律神經(jīng)回路如何輸出到睡眠中心的連接機(jī)制依然未知。使得這成為睡眠領(lǐng)域的一個(gè)非常重要的問(wèn)題。

近日浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院百人計(jì)劃郭方研究員，以果蠅為模式生物，鑒定出其腦中的背側(cè)晝夜節(jié)律神經(jīng)元APDN1往睡眠穩(wěn)態(tài)中心-橢球體EB-R2投射的神經(jīng)回路，并將相關(guān)成果發(fā)表在知名期刊《神經(jīng)元》(Neuron)上。研究揭示了該神經(jīng)回路決定睡眠和覺(jué)醒水平的作用機(jī)制，為闡述晝夜節(jié)律回路和睡眠回路的連接機(jī)制提供了非常重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

這項(xiàng)科研工作的第一作者為浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物系郭方研究員，郭方研究員和2017年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者、美國(guó)布蘭迪斯大學(xué)邁克爾·羅斯巴殊(Michael Rosbash)教授為本論文的共同通訊作者。

尋找兩者的關(guān)系，前提是有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，一個(gè)是郭方和導(dǎo)師羅斯巴殊之前就有過(guò)明確的研究，果蠅的晝夜節(jié)律神經(jīng)元APDN1是控制睡眠穩(wěn)態(tài)的閥門(mén)，同時(shí)在2016年，約翰·霍普金斯大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)鑒定出果蠅中調(diào)控睡眠穩(wěn)態(tài)的神經(jīng)元是橢球體EB-R2。

因此研究的主線就落到APDN1與橢球體EB-R2的關(guān)系上。

實(shí)驗(yàn)中，郭方及其同事們發(fā)現(xiàn)果蠅的APDN1神經(jīng)元有兩簇投射，一簇向果蠅大腦前側(cè)，一簇向果蠅大腦后側(cè)。前期的研究中，科學(xué)家們關(guān)注的是向后的這一簇，它起著抑制果蠅的活動(dòng)的作用，該研究發(fā)現(xiàn)了果蠅節(jié)律神經(jīng)元控制睡眠的奧秘。

那么APDN1的前一簇往哪個(gè)腦區(qū)投射，生物學(xué)的功能是什么?

他們利用最新發(fā)明的神經(jīng)回路技術(shù)——跨突觸顯示技術(shù)，追蹤投射神經(jīng)元的走向。并通過(guò)膨脹顯微鏡(Expansion Microscopy)放大并透明化果蠅的大腦，發(fā)現(xiàn)這簇軸突往前投射到一個(gè)叫AOTU的腦區(qū)。鈣成像技術(shù)表明，它們支配著一群特殊的TuBu神經(jīng)元，并通過(guò)其與更高腦區(qū)域的睡眠穩(wěn)態(tài)中心-橢球體EB-R2偶聯(lián)。

最終郭方團(tuán)隊(duì)在形態(tài)學(xué)上鑒定出果蠅的背側(cè)節(jié)律神經(jīng)元APDN1往果蠅的睡眠穩(wěn)態(tài)中心與橢球體EB-R2投射的神經(jīng)回路。神經(jīng)元APDN1作為一個(gè)“開(kāi)關(guān)”調(diào)控著EB-R2，激活A(yù)PDN會(huì)在EB-R2中誘導(dǎo)出類(lèi)似人類(lèi)睡眠時(shí)的特定振蕩模式。

已有的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人類(lèi)進(jìn)入睡眠時(shí)會(huì)形成特定頻率振蕩的腦電波。那么，郭方通過(guò)鈣成像檢測(cè)到的果蠅調(diào)控睡眠腦區(qū)的高頻振蕩，會(huì)不會(huì)和高等動(dòng)物的一樣，起著睡眠時(shí)降低對(duì)外界反應(yīng)的作用?

在實(shí)驗(yàn)中，郭方通過(guò)機(jī)械刺激偶聯(lián)光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明自己的假設(shè)。當(dāng)果蠅睡眠時(shí)，他每隔半個(gè)小時(shí)都給果蠅一個(gè)機(jī)械振動(dòng)，果蠅都會(huì)產(chǎn)生受激反應(yīng)，從睡眠中驚醒，呈現(xiàn)出規(guī)律性的高活動(dòng)，然后再逐漸入睡。

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)只激活A(yù)PDN1神經(jīng)元時(shí)，大腦中振蕩波產(chǎn)生。果蠅在受到刺激后懶得動(dòng)，醒來(lái)一下又迅速入睡。

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，科研人員還通過(guò)光遺傳學(xué)的方式，激活DN1神經(jīng)元，果蠅進(jìn)入睡眠，再通過(guò)特定波長(zhǎng)的綠光抑制EB-R2神經(jīng)元中的振蕩波。通過(guò)觀察果蠅的行為發(fā)現(xiàn)，受到刺激時(shí)果蠅會(huì)迅速反應(yīng)，顯著性地增加了高活動(dòng)狀態(tài)，才重新進(jìn)入睡眠。

通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，郭方發(fā)現(xiàn)，果蠅EB-R2中產(chǎn)生的特定振蕩模式是一道“防火墻”，可以“屏蔽”外界信息的輸入，讓果蠅對(duì)外界刺激不敏感。“特定腦區(qū)的神經(jīng)元產(chǎn)生某些頻率的共振，可能讓神經(jīng)元鎖定在某種狀態(tài)，使外界信息無(wú)法輸入。”郭方說(shuō)，“當(dāng)通過(guò)人為打破‘防火墻’，果蠅無(wú)法進(jìn)入深睡狀態(tài)。”

同時(shí)，郭方也告訴記者，目前尚待解決的科學(xué)問(wèn)題是“防火墻”是如何導(dǎo)致外界信息無(wú)法傳入，這一神經(jīng)回路傳遞信號(hào)的遞質(zhì)是什么，具體內(nèi)部機(jī)制有待進(jìn)一步回答。

對(duì)這道睡眠“防火墻”的研究，還是一項(xiàng)起點(diǎn)性的工作。未來(lái)，可以通過(guò)藥物治愈失眠，讓輕度睡眠患者擁有更好的睡眠質(zhì)量?？蒲腥藛T也猜想，隨著對(duì)深度睡眠機(jī)制研究的深入，或許以后充足的睡眠不需要8個(gè)小時(shí)以上，通過(guò)調(diào)控深度睡眠，在更快時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充精力，睡眠2小時(shí)精神一整天也不無(wú)可能。“那時(shí)候，供人類(lèi)自由支配的時(shí)間更長(zhǎng)，不用在有限的覺(jué)醒，開(kāi)啟‘倍速’人生。”

《神經(jīng)元》匿名評(píng)審專(zhuān)家們對(duì)這一研究結(jié)果也評(píng)價(jià)道：“該論文提供了(果蠅)生物鐘和睡眠調(diào)節(jié)之間目前最全面的聯(lián)系，并為理解高度保守的睡眠和晝夜節(jié)律整合的神經(jīng)機(jī)制提供了平臺(tái)。研究中應(yīng)用了最先進(jìn)的遺傳工具和實(shí)驗(yàn)技術(shù)來(lái)繪制神經(jīng)回路。”“這一研究將對(duì)該領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。”

一位匿名專(zhuān)家指出，郭方團(tuán)隊(duì)的研究使用多種先進(jìn)的技術(shù)組合提供了令人信服的證據(jù)，證明了將晝夜節(jié)律神經(jīng)元連接到睡眠中心的神經(jīng)回路及其功能。那么他們是如何把這些技術(shù)更好地使用到實(shí)驗(yàn)中呢?這就要提到郭方和他的同事們研發(fā)的“果蠅”盒子專(zhuān)利。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)盒，具有體積輕便，易于操作等優(yōu)點(diǎn)，利用攝像頭持續(xù)記錄96只果蠅的行為，能高通量的篩選調(diào)控果蠅行為的基因和神經(jīng)回路。

那么這個(gè)果蠅盒子是如何想到的呢?

這里先講一個(gè)“失眠的果蠅”故事。和羅斯巴殊教授同時(shí)獲得去年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的杰夫·霍爾(Jeff Hall)教授，上世紀(jì)70年代曾和同事在其導(dǎo)師西莫爾·本則爾(Seymour Benzer)教授的實(shí)驗(yàn)室里，發(fā)現(xiàn)了一些“睡不好”的果蠅：其晝夜節(jié)律基因受到突變，很有個(gè)性的睡得早，醒得早。于是本則爾對(duì)這些果蠅產(chǎn)生了興趣，發(fā)明了儀器來(lái)監(jiān)測(cè)其晝夜節(jié)律。

這個(gè)神奇的“果蠅”盒子，也是郭方在羅斯巴殊教授實(shí)驗(yàn)室里，某一天晚上熬夜做實(shí)驗(yàn)，靈機(jī)一動(dòng)想到的。“最早的原型是2015年開(kāi)始研制，現(xiàn)在已經(jīng)量產(chǎn)。不僅可以作為果蠅的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，還可以用于記錄蚊子、斑馬魚(yú)等小型動(dòng)物的行為。”郭方說(shuō)。

郭方說(shuō)，隨著相關(guān)實(shí)驗(yàn)的引入，他們?cè)谶@個(gè)果蠅盒子里，裝上了625nm的紅色LED和550nm的綠色LED，能快速對(duì)神經(jīng)元活性進(jìn)行雙向調(diào)控。同時(shí)也裝上了電磁閥控制的睡眠剝奪裝置，能定量地對(duì)果蠅進(jìn)行機(jī)械刺激，來(lái)檢測(cè)果蠅的覺(jué)醒閾值和睡眠深度。

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