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睡眠和大腦哪個先出現?

一項針對水生無脊椎動物水螅的研究發現,儘管沒有大腦或中樞神經系統,但這些生物體卻表現出睡眠的跡象。
  • 一項針對水生無脊椎動物水螅的研究發現,儘管沒有大腦或中樞神經系統,但這些生物體卻表現出睡眠的跡象。

  • 研究表明,動物在大腦發育之前就獲得了睡眠的需要。 

  • 此外,有幾種化學物質能夠像人類一樣引起睡意,因為將水螅暴露於褪黑激素和 GABA 會增加睡眠活動和頻率。 

本文發表於九州大學新聞:

保持清醒時間太長,清醒思考會變得極為困難。 值得慶幸的是,眨眼幾眼的睡眠通常足以讓我們的大腦恢復正常運作。 但動物是什麼時候、為什麼開始需要睡眠呢? 擁有大腦是先決條件嗎?

在一項可能有助於了解動物睡眠進化起源的研究中,一個國際研究小組發現,微小的水棲水螅儘管缺乏中樞神經系統,但不僅表現出類似睡眠狀態的跡象,而且還能對分子做出反應與較進化的動物的睡眠有關。

「我們現在有強有力的證據表明,動物在獲得大腦之前一定已經獲得了睡眠的需要,」九州大學文理學院助理教授、該研究的負責人 Taichi Q. Itoh 說。 科學進步.

雖然最近在水螅(水螅的近親、刺胞動物門的成員)中也發現了睡眠行為,但日本九州大學和韓國蔚山國立科學技術研究所的研究人員的新研究發現,幾種化學物質會引起睡意和睡眠即使在人類身上也對物種產生類似的影響 普通九頭蛇.

「根據我們的發現和先前有關水母的報告,我們可以說睡眠進化獨立於大腦進化,」伊藤說。

“關於動物睡眠如何產生的許多問題仍然存在,但水螅提供了一種易於處理的生物,可以進一步研究無腦動物產生睡眠的詳細機制,以幫助有一天回答這些問題。”

水螅只有幾公分長,具有分散的神經網絡,但缺乏與大腦相關的集中化功能。

雖然睡眠通常是根據腦電波測量來監測的,但這對於小型、無腦的動物來說並不是一個選擇。

作為替代方案,研究人員使用視訊系統來追蹤運動,以確定水螅何時處於類似睡眠的狀態,其特徵是運動減少,而這種狀態可以透過閃光來中斷。

研究人員發現,水螅並沒有像晝夜節律那樣每 24 小時重複一次,而是表現出四小時一個活躍且類似睡眠狀態的週期。

更重要的是,研究人員在分子和基因層面上發現了與睡眠調節相關的許多相似之處,無論是否擁有大腦。

讓水螅接觸褪黑激素(一種常用的助眠劑)可以適度增加睡眠量和頻率,而抑制性神經傳導物質GABA(另一種與許多動物的睡眠活動有關的化學物質)則可以大大增加睡眠活動。

另一方面,多巴胺能引起許多動物的興奮,實際上促進了水螅的睡眠。

伊藤表示:“雖然一些睡眠機制似乎是保守的,但其他機制可能在大腦進化過程中改變了功能。”

此外,研究人員可以利用振動和溫度變化來擾亂水螅的睡眠並誘發睡眠不足的跡象,導致水螅在第二天睡得更久,甚至抑制細胞增殖。

經過更仔細的調查,研究人員發現睡眠剝奪導致212 個基因的表達發生變化,其中包括與PRKG 相關的一個基因,PRKG 是一種參與多種動物(包括小鼠、果蠅和線蟲)睡眠調節的蛋白質。

破壞其他果蠅基因似乎與水螅中的睡眠相關基因有共同的演化起源,改變了果蠅的睡眠時間,對這些基因的進一步研究可能有助於識別有腦動物中目前未知的睡眠相關基因。

伊藤說:“總而言之,這些實驗提供了強有力的證據,表明動物在中樞神經系統進化發展之前就獲得了與睡眠相關的機制,並且其中許多機制在大腦進化過程中得到了保留。”

這項研究發表於 科學進步 2020 年 10 月。 



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