运动系统控制和睡眠节律之间的惊人联系

一项关于爬行动物睡眠的新研究揭示了控制运动节律的网络和控制睡眠的网络之间惊人的相似之处

　　

睡眠是我们生物学中最神秘但又无处不在的组成部分之一。多种主要动物群体中都有研究，包括线虫、水母、昆虫或头足类动物，以及从鱼类到人类的所有脊椎动物。睡眠的共同特征包括运动减少，肌肉张力下降，以及在一段时间的剥夺后（例如在晚上外出后）对睡眠的需求增加。马克斯·普朗克脑研究所最近的研究为了解爬行动物——澳大利亚松狮蜥（Pogona vitticeps）的睡眠节奏是如何被控制提供了重要的见解。

哺乳动物、鸟类和一些爬行动物的睡眠可以分为两种主要状态：慢波睡眠（SWS）和快速眼动睡眠（REMS）。SWS的特点是脑电波缓慢，首先发生在我们入睡时，而REMS的特点是大脑活动与清醒时相似，伴随着快速的眼球运动和偶尔的肌肉抽搐。SWS和REMS的交替形成了所谓的短昼夜睡眠节律(ultradian sleep rhythm)，其时间特征在不同物种之间差异很大。例如，在人类中，SWS和REMS的睡眠周期持续约1至1.5小时，导致每个典型的夜晚有5至6个周期。

八年前，由马克斯·普朗克（Max Planck）主任Gilles Laurent领导的研究小组在一种爬行动物——澳大利亚松狮蜥（Pogona vitticeps）身上发现了类似快速眼动的状态，在哺乳动物和鸟类身上也都发现了快速眼动。这一发现表明，快速眼动睡眠可能是爬行动物、鸟类和哺乳动物（统称羊膜动物）共有的一种祖先特征，可能在3.2亿年前就存在于它们的共同祖先身上了。

蜥蜴的睡眠还有另一个有趣的特征：它的REMS期和SWS期一样长，两个阶段每个周期持续大约一分钟。这种模式导致每晚200到250个睡眠周期，这使得包括博士后研究员 Lorenz Fenk 和 Luis Riquelme在内的研究小组能够探索睡眠中大脑交替状态背后的机制。尽管对不同物种进行了数十年的睡眠研究，但了解导致这些变化的原因仍然是一项具有挑战性的任务。

中枢模式发生器控制睡眠状态

在他们的研究中，研究人员发现，蜥蜴的短昼夜睡眠节律的特征与中枢模式发生器（CPG，central pattern generator）的输出是一致的，CPG是一种专门的神经回路，产生有节奏的运动输出，比如走路或呼吸。虽然CPGs通常以其在运动控制中的作用而闻名，但研究人员推断，它们也很适合控制REM/SW睡眠状态的交替。“睡眠CPG的想法完全违反直觉，因为CPG控制着运动输出，而睡眠的特点是几乎没有运动活动，”Laurent指出。

利用波戈纳睡眠的独特特征，研究人员寻找CPGs的特征，如相位依赖重置和娱乐。“相位依赖重置意味着，如果节律受到短暂的外部扰动影响（类似于行走时被石头绊倒，这中断了行走周期），节律立即受到影响，这取决于扰动发生的时间（或相位），”Riquelme解释道。干扰是与之相关的，它描述了通过节律性输入迫使节律偏离其固有频率（更快或更慢）的效果。Fenk解释说：“我们发现了两者的证据，建立在关键观察的基础上，即短暂的光脉冲传递到睡眠动物闭着的眼睛上，可靠地重置了REM-SW周期。”

睡眠和睡眠状态之间部分独立的交替

科学家们还发现，即使动物醒着，这种节律也会受到影响，这表明在适当的条件下，潜在的回路可能会被激活。Fenk补充说：“这很重要，因为它表明睡眠和SWS和REMS之间的交替至少部分是独立的。”此外，研究人员发现，虽然SWS和REMS之间的交替发生在大脑的两侧，但节律只能在一侧被重置和影响。在这样的单侧扰动之后，两侧的睡眠节律迅速重新同步，这表明两个CPG的存在——每侧大脑一个——必须相互连接才能同步。

这些发现令人兴奋，因为它们将传统上与运动活动相关的神经回路与身体休息时睡眠状态的调节联系起来。它们也提出了许多问题：这些被认为位于脑干中的回路的确切组成部分是什么？这些发现是否适用于其他脊椎动物，如哺乳动物和鸟类？如果是这样的话，这些神经回路如何足够灵活，以解释在不同物种中观察到的不同睡眠模式？最后，它们提出了关于睡眠进化的重要问题，并可能有助于解决关于睡眠的一个最重要的问题：睡眠是如何产生的？