Neuron：是什么讓人類在白天清醒，夜晚睡覺？

日出而作，日入而息。幾千年來，人類都保持著這樣的生活作息。科學(xué)家們已經(jīng)知道，光能夠通過哺乳動(dòng)物的下丘腦視交叉上核（SCN）調(diào)控生物節(jié)律間接地影響睡眠，或者通過遮蔽效應(yīng)（masking effect）直接而迅速的影響睡眠。雖然有許多研究都探索了光對(duì)生物節(jié)律的影響，但光對(duì)睡眠的直接影響卻知之甚少。我們?yōu)楹我谕砩纤X？為何在有光的時(shí)候就不容易睡著？來自加州理工學(xué)院的研究人員找到了一些答案：大腦中的一種蛋白質(zhì)可以響應(yīng)光和黑暗，以保證睡眠和覺醒之間的正確平衡。這項(xiàng)研究于6月22日發(fā)表在Neuron期刊上。

本研究的通訊作者David Prober教授說：“在此之前，研究人員已經(jīng)確定了光線對(duì)覺醒和睡眠產(chǎn)生直接影響所必需的光感受器。 但是我們想知道大腦如何使用這種視覺信息來影響睡眠?！?

Prober的驗(yàn)室使用了斑馬魚作為研究睡眠的模式生物。斑馬魚是光學(xué)透明的，因此它們的神經(jīng)元能夠被無(wú)創(chuàng)成像，此外，它們也有像人類一樣的晝夜睡眠/覺醒模式。為了研究斑馬魚睡眠如何對(duì)光線作出響應(yīng)， Prober實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)的一名研究生Shijia Chen領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)研究，檢測(cè)斑馬魚腦中一種名為prokineticin 2（Prok2）的特定蛋白質(zhì)。

過表達(dá)Prok2的斑馬魚更有可能在白天睡著，晚上清醒。圖片來源：Neuron

Chen通過基因工程，讓斑馬魚過表達(dá)Prok2。她發(fā)現(xiàn)與正常的斑馬魚相比，過表達(dá)Prok2的斑馬魚更有可能在白天睡著，晚上清醒。令人驚訝的是，這種效應(yīng)并不取決于轉(zhuǎn)基因魚的正常晝夜睡眠/覺醒周期，而是僅依賴于環(huán)境中的燈光是否亮起。這些觀察結(jié)果表明，過量的Prok2抑制了光線的覺醒作用和黑暗的鎮(zhèn)靜作用。

然后，Chen構(gòu)建了攜帶Prok2及其受體突變的斑馬魚，并觀察到它們身上的這種與光線有關(guān)的睡眠缺陷。Chen發(fā)現(xiàn)，攜帶Prok2受體突變的斑馬魚在開燈時(shí)更加活躍，關(guān)燈時(shí)活動(dòng)減弱，而過表達(dá)Prok2并具有功能性Prok2受體的斑馬魚中觀察到的情況正好相反。

“雖然像斑馬魚這樣的晝夜動(dòng)物在晚上大部分時(shí)間都在睡覺，白天清醒。但事實(shí)上，它們和許多人一樣，也會(huì)在白天打盹兒，晚上偶爾清醒?！盤rober說， “我們的研究結(jié)果表明，Prok2的水平在設(shè)定晝夜之間睡眠和覺醒的正確平衡方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用?！?

在光照下，Prok2過度表達(dá)使甘丙肽（白色）水平上升。圖片來源：Neuron

接下來，研究人員想知道Prok2如何調(diào)節(jié)光對(duì)睡眠的影響。為了回答這個(gè)問題，他們決定觀察大腦中已知的能影響睡眠的其他蛋白質(zhì)對(duì)于Prok2的效應(yīng)是否是必需的。他們發(fā)現(xiàn)，在光存在下時(shí)，Prok2過度表達(dá)產(chǎn)生的鎮(zhèn)靜作用需要一種已知的睡眠促進(jìn)蛋白——甘丙肽。并且，Prok2過表達(dá)增加了大腦中關(guān)鍵的睡眠促進(jìn)中心——下丘腦前部的甘丙肽表達(dá)水平。因此，在缺乏甘丙肽的斑馬魚中，過表達(dá)Prok2不能增加睡眠。

這項(xiàng)研究首次發(fā)現(xiàn)光如何與大腦相互作用以影響睡眠，并為科學(xué)家探索這一現(xiàn)象下的基因和神經(jīng)元基礎(chǔ)提供依據(jù)。然而，還需要進(jìn)一步的工作來充分解釋光暗如何直接影響睡眠和覺醒，并確定Prok2在人類中是否具有相似的功能。如果在人類中也存在類似機(jī)制，那么這項(xiàng)工作或許會(huì)促進(jìn)新的睡眠和覺醒藥物產(chǎn)生。

參考資料：

Light-Dependent Regulation of Sleep and Wake States by Prokineticin 2 in Zebrafish

The neural relationship between light and sleep