Nature | 神奇的斑马鱼睡眠脑电波

来源：BioArt

睡眠是正常的生理需要，良好的睡眠促进机体新陈代谢，维持体能，促进学习记忆等。动物界睡眠姿势千奇百态，有站着睡觉的，比如牛；也有左右脑轮流睡觉，比如海豚；也有像人一样躺着睡觉的，比如小鼠。一般来说睡眠分为两个阶段：慢波睡眠和快速眼动睡眠阶段，后者伴有眼球快速运动。做梦等丰富脑活动。关于睡眠的相关研究在人类、鸟类、蜥蜴等较多，而在斑马鱼这类非羊膜脊椎动物知之甚少。斑马鱼是目前生命科学研究中重要的模式脊椎动物之一。由于斑马鱼基因与人类基因的相似度达到87%，而且它们的身体是半透明的，可以很容易监测到神经活动，有“水中小白鼠”之称。

2019年7月11日，美国斯坦福大学精神病学和行为科学系Philippe Mourrain教授联合光遗传学大牛Karl Deisseroth利用非侵入式活体成像技术发现斑马鱼睡眠过程中的特定神经信号，研究成果以Neural signatures of sleep in zebrafish为标题发表在Nature杂志上。

研究人员利用钙离子指示剂GCaMP6F记录1-2周龄的斑马鱼大脑背侧皮层神经元活动，正常睡眠状态下斑马鱼大脑背侧皮层神经元处于高度自发活动状态，表现为低同步化状态（仅为6.38%），而在睡眠剥夺后的斑马鱼表现出高度同步化的放电活动（同步化指数为18.04%），并且出现低频率高幅度的簇状放电活动，即slow bursting sleep (SBS)（图1）。

图1 正常睡眠和睡眠剥夺后斑马鱼的神经元活动特点

让你万万没想到的是斑马鱼给予催眠药后会产生三种不同类型的神经元活动，并且存在剂量效应。第一种睡眠信号SBS可由组胺受体（H1R）拮抗剂美吡拉敏和异丙嗪诱导的。与睡眠剥夺类似，给与这些组胺受体阻断剂药后可以促进神经元活动的同步性，产生低频高辐的神经元活动。第二种睡眠信号由催眠药加波沙朵和麻醉剂ms222可诱导整个背侧皮层神经元活动持续沉默，表现出神经元活动广泛性沉默。最后一类睡眠信号的特征是神经元信号波一直在端脑持续传播，这一特异性特征是由非苯二氮卓类GABAA受体激动剂咪唑并吡啶等诱导的。

图2  催眠药引起的不同睡眠相关的神经信号波

睡眠过程中整个大脑和身体都参与，因此不能只用端脑持续传播的神经元信号特征来定义睡眠信号。因此研究人员利用多导睡眠监测（PSG在全夜睡眠过程中，连续并同步地描记脑电、呼吸等10余项指标）结合生理参数的测量来定义睡眠。他们利用一种在大脑和躯体肌肉组织中表达钙指示剂的转基因斑马鱼，发现与之前睡眠剥夺和给予组胺受体阻断剂后相同，斑马鱼大脑背侧皮层出现SBS，并且皮层下区域神经元活动处于广泛降低的状态，躯体肌肉组织伴有钙离子浓度短暂下降的现象。

图3 多导睡眠监测斑马鱼睡眠期的脑电波信号

总的来说文章首次发现脊椎动物斑马鱼睡眠神经信号特征：背侧皮层存在SBS，端脑存在持续传播的神经信号波。这些结果表明，在脊椎动物神经系统的进化过程中，睡眠过程中神经元同步振荡状态可能比先前预期的更早出现。此外脊椎动物大脑中睡眠的共同神经信号可能出现超过了4.5亿年。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1336-7