光遗传学开创者Nature发表突破性成果

　　

生物通报道  牛津大学的研究人员揭示出了是什么将我们大脑中的开关翻转，唤醒了我们。发表在《自然》（Nature）杂志上的研究发现，让我们更进一步了解了睡眠的秘密。

睡眠受到两个系统——生物钟和睡眠同态调节器（homeostat）的支配。尽管人们已充分认识地生物钟，对于睡眠同态调节器却知之甚少。

Gero Miesenböck教授解释说：“生物钟使得我们能够预期由于地球自传引起的我们环境中可预测的变化。同样地，确保了当它最小程度伤害我们时我们在睡觉，但却没有说出我们为什么首先需要睡觉这一秘密。”

“这种解释可能来自对于第二控制器——睡眠同态调节器的认识。当我们醒着时这一同态调节器测量到了发生在我们大脑中的某一事物——我们并不知道这一事物是什么，当它到达上限时，我们就会睡着。这一系统在睡眠中被重新设定，当我们醒来时周期重新开始。”

研究小组在果蝇的大脑中研究了这一睡眠同态调节器——在大约45年前，这种动物还提供了有关生物钟计时的第一个突破性认识。每个果蝇有大约二十几个睡眠控制神经元，人们也在其他动物中发现了这些脑细胞并相信它们也存在于人体中。这些神经元传送了睡眠同态调节器的输出信息：如果这些神经元电活化，果蝇会睡着；当它们沉默时，果蝇醒着。

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为了开关这些神经元，研究人员采用了Miesenböck发现的一项技术：光遗传学。2002年，在纽约的斯隆•凯特琳纪念癌症中心， Miesenböck成为了首个使用视蛋白来赋予脑细胞光敏感性的研究者，采用的是从果蝇视网膜上提取的视蛋白。Miesenböck被视为光遗传学的开创者之一。在当前的研究中，Miesenböck实验室利用光遗传学刺激生成了化学信使多巴胺。

在人体中，发挥神经兴奋剂作用的药物（诸如可卡因）可以提高大脑中的多巴胺水平，在果蝇中也可以看到这一效应。当多巴胺能系统被激活时，控制睡眠的神经元陷入沉默，果蝇醒来。如果研究小组阻止多巴胺传送，等待一会儿，控制睡眠的神经元会回到电活化状态，果蝇又睡去。

这一睡眠开关是一个“硬”开关，这意味着它要么被开启要么被关闭。Miesenböck说：“这是有道理的。要么睡着要么醒来，你不会想漂浮在朦胧状态。”

该研究的第一作者之一Diogo Pimentel博士说：“能够随意操纵睡眠，为我们提供了一个机会阐明它的运作机制。”

当睡眠控制神经元电活化时，研究人员发现和命名为Sandman的一个离子通道留在细胞内。离子通道控制了电脉冲，脑细胞则通过电脉冲来进行交流。当存在多巴胺时，它会使得Sandman移动到细胞外。Sandman随后有效地让这些神经元发生短路，关闭了它们，导致了觉醒。

第一作者Jeff Donlea博士说：“原理上，这是一个与你客厅墙上的恒温器相似的装置。但它测量的并非是温度，并在气温过冷时打开暖气，这一装置是在你的睡眠需要超过某个设定点时开启睡眠。”

Miesenböck解释说：“一个价值数十亿美元的研究课题是，在这一系统中什么是温度的等同物？换句话说，这一睡眠同态调节器测量的是什么？如果我们知道答案，我们将朝着揭示睡眠的秘密迈出很大的一步。”

头一天晚上睡得越晚，起床的时候就越发艰难。那么，为什么熬夜会让人昏昏欲睡呢？Johns Hopkins大学的研究人员最近解决了这个问题，相关论文发表在2016年5月的Cell杂志上。如果我们硬要生物钟对着干，大脑就会产生一种难以遏制的睡眠冲动（sleep drive）。研究人员在果蝇中找到了负责调节睡眠冲动的神经元。果蝇越长时间不睡，这些神经元就越活跃。他们认为，这项研究可以帮助人们更好的理解和治疗睡眠障碍（Cell：为什么睡得越晚人越困 ）。

发表在2016年4月29日Science杂志上的一项新研究，揭示出了控制睡眠-觉醒周期的生物学机制。具体而言，它证实简单地改变脑脊液中的化学物质平衡就可以改变动物的意识状态。这项研究将焦点放在了脑脊液中的一些离子上，其发现这些改变不仅在刺激或抑制神经细胞活性中起关键作用，似乎在我们睡觉的时候也改变了细胞体积导致脑细胞缩小，这一过程帮助了清除废物（华中科技大学丁凤菲博士Science发表重要成果 ）。

果蝇的睡眠习惯与人类非常相似。它们大部分的睡眠是在夜间，某些药物和兴奋剂（如咖啡因）可能会影响它们的睡眠，而且，如果它们的睡眠比较糟糕，甚至可能会影响它们的记忆力。但是，果蝇能告诉我们关于“睡眠不足与代谢疾病（如糖尿病、肥胖）、血糖水平之间的联系”的什么信息吗？根据一项新的研究表明，果蝇的确可以告诉我们很多这方面的信息，这项研究首次发现，一个保守基因——translin，作为睡眠的一个调节因子，可响应代谢变化。这项研究的结果发表在2016年4月4日的《Current Biology》杂志（想睡个好觉？可能由基因决定 ）。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

Operation of a homeostatic sleep switch, is published in Nature (doi: 10.1038/nature19055).