睡眠的好处远远超出了大脑，肌肉、免疫系统和肠道都可以对睡眠的发生时间和方式有发言权。
在南加州海岸的海藻森林中潜水，您可能会发现橙色马勃海绵（Tethya californiana）——这种生物看起来像用来做馅饼的微型南瓜。直到 2017 年，加州大学 (UC) 圣地亚哥分校的神经科学家威廉·乔纳 (William Joiner) 决定研究海绵是否会打盹，才让研究人员太在意它们。
这并不像看起来那么可笑。在过去几年中，对蠕虫、水母和九头蛇的研究挑战了长期存在的观点，即睡眠是有大脑生物独有的。现在，“真正的前沿是找到一种完全没有神经元的睡眠动物，”宾夕法尼亚大学 (UPenn) 佩雷尔曼医学院的神经学家 David Raizen 说。海绵是地球上最早出现的一些动物，符合这种描述。抓住一个打瞌睡可能会颠覆研究人员对睡眠的定义及其对睡眠目的的理解。
科学家们经常将睡眠定义为暂时的意识丧失，由大脑精心策划并为大脑带来好处。这使得在无脑生物中研究睡眠存在争议。辛辛那提儿童医院医学中心的基因组生物学家 John Hogenesch 说：“我不相信这些生物中有很多会睡觉——至少不是你和我的睡眠方式。” 将水母和水螅中所见的宁静、反应迟钝的状态称为“像睡眠一样”对他来说更容易接受。
但该领域的其他人正在推动一个更具包容性的观点：睡眠不是像以前假设的那样与现代脊椎动物一起进化，而是可能在 5 亿年前第一批动物出现时。“我认为，如果它活着，它就会睡觉，”圣路易斯华盛顿大学的神经科学家 Paul Shaw 说。他建议，最早的生命形式在进化出对环境做出反应的方式之前是没有反应的，而睡眠是恢复到默认状态。“我认为我们没有进化出睡眠，而是进化出了觉醒。”
如果这是真的，那么人类、啮齿动物和其他脊椎动物的睡眠是一种高度进化的行为——适应每个生物体的需求和生活方式。从这些物种中收集其基本功能的见解可能很困难。较早进化的生物，细胞类型较少，分子通路不那么复杂，行为也比较简单，可能会以最基本的形式揭示睡眠。
因此，一些睡眠研究人员转而研究果蝇和蛔虫等无脊椎动物——最近又转而研究海绵和另一个早期进化的群体——扁盤動物。他们的工作已经揭示了两个关键的新见解：睡眠的好处远远超出了大脑，肌肉、免疫系统和肠道都可以对睡眠的发生时间和方式有发言权。这项工作“可能会将我们的重点从研究睡眠在复杂认知过程中的作用转移到它如何影响基本细胞功能，”德克萨斯 A&M 大学的神经遗传学家亚历克斯·基恩 (Alex Keene) 说。
宾夕法尼亚大学时间生物学和睡眠研究所的神经科学家 Amita Sehgal 说，关于控制睡眠的新图景也可能引导研究人员找到治疗睡眠障碍的新方法。“希望我们所学到的知识将有助于理解为什么有些人无法入睡，以及睡眠中断如何影响他们的健康和表现。”
最早的睡眠研究通过它如何改变人类行为来定义它：我们躺下，闭上眼睛，一动不动，对外面的世界一无所知。不睡觉的后果也很明显：我们失去了工作能力，在会议上难以集中注意力或在方向盘上打瞌睡。
到 1950 年代和 60 年代，研究人员正在基于多导睡眠图对睡眠进行定义，多导睡眠图是对大脑活动、眼球运动和肌肉张力的综合测量，成为黄金标准。神经科学家想出了如何从头部表面的电极捕捉大脑活动，并发现人类睡眠有两个主要阶段：快速眼动 (REM)，这是一个更活跃的阶段，在此阶段会做梦；和非快速眼动，由缓慢的同步电波定义。
行为和生理测试揭示了动物世界中睡眠的多样性。奶牛和其他大型食草哺乳动物站着睡觉。一些海洋哺乳动物在游泳时睡觉，一些海鸟在飞行时打盹，让大脑的一半打瞌睡，而另一半则继续工作。蝙蝠每天睡眠约 20 小时；野生大象少至两小时。大多数用电记录技术研究的动物至少有两个睡眠阶段，尽管表征这些阶段的大脑活动可能会有所不同。章鱼在睡觉时的颜色变化表明它也有几个睡眠阶段。
睡眠的迹象
通过广泛寻找人类和其他生物体睡眠特征的行为，研究人员发现大多数动物，即使是非常简单的动物，也处于宁静状态。每个生物如何满足这些标准是有争议的，但这项工作正在扩大我们对睡眠的作用和控制的理解，即使在人类中也是如此。
到 21 世纪之交，哺乳动物体外睡眠的证据促使研究人员开始沿着动物生命树向下研究进化上更古老的物种。他们不得不面对如何定义这些简单物种的睡眠的问题。毕竟，睡着的水母看起来很像醒着的水母，而且几乎不可能配备电极。相反，研究人员必须识别简单的生物在何时何地寻求喘息，并找到一种在它们睡觉时停止的行为。研究还必须戳戳或以其他方式打扰动物，以确保它们没有反应——并看看被迫保持清醒是否会产生后果。
2017 年，迈克尔·艾布拉姆斯 (Michael Abrams) 和另外两名加州理工学院研究生为仙后座 (Cassiopea)设计了这样的测试，仙后座水母被称为倒置水母，因为它往往停留在浅海海底附近，触须向上跳动，因此更多的光线到达光合作用它依赖的微生物提供能量。学生们观察到，在晚上，这种运动从每分钟 60 次脉冲减慢到 39 次。
为了查看水母是否真的睡着了，他们在水族箱上建造了一个假底并将其放低——基本上是从生物下面“拉出地毯”。到了晚上，昏昏沉沉的水母反应和游到新底部的速度比白天慢。当研究小组通过在水母上方脉冲水流扰乱水母时，这些动物第二天就不那么活跃了——好像必须从睡眠不足中恢复过来。最后，药物褪黑激素，一种非处方睡眠药物，将他们的脉搏减慢到夜间速度。所有这一切都没有真正的大脑：水母在它们的铃铛边缘有一圈神经细胞簇。
最近，研究人员发现了另一种无脑小睡动物：Hydra vulgaris，一种静止的淡水近亲水母。九州大学的时间生物学家 Taichi Itoh 及其同事拍摄了这些厘米长的动物在实验室中 12 小时的光照和黑暗期间摆动触须的过程。在黑暗中，九头蛇不太活跃。其他研究更简单动物睡眠的研究人员也采用了基于行为变化的定义，例如反应性降低。
然而，最近，一些人主张转向分子标准，例如生物体是否具有作为哺乳动物和其他已知睡眠物种的睡眠促进途径的一部分的基因。例如，伊藤的团队去年报告说，在缺乏睡眠的九头蛇中，有 200 多个基因改变了它们的活动。他们指出，其中一些基因与果蝇的睡眠有关。
“我们正在从行为或生理定义转向细胞和分子定义，”斯坦福大学的神经生物学家菲利普·莫兰 (Philippe Mourrain) 说。“随着我们越来越多地定义睡眠是什么[在这些水平上]，我们将对它的功能有所了解。”
毫无疑问，睡眠对拥有睡眠的生物的大脑有益。它有助于大脑巩固记忆并排出有毒废物。它还可以通过修剪和加强神经细胞之间的连接来帮助大脑保持可塑性。
但如果没有大脑的动物需要睡眠，这些功能就不能成为全部，Sehgal 说。“鉴于睡眠得到如此广泛的保护，它很可能起到了维持基本生理过程的基本功能。”
最近来自无脑动物的一些线索表明睡眠因素会影响能量平衡和新陈代谢。Raizen 的团队发现，被广泛研究的线虫秀丽隐杆线虫仅在代谢需求高时才会打盹。幼虫在蜕皮和更换外骨骼时，或者当过热或紫外线 (UV) 光引起压力时，它们会跛行 1 或 2 小时。一种称为盐诱导激酶 3 的酶在睡眠和新陈代谢之间提供了直接联系。众所周知，它有助于调节哺乳动物的睡眠，它还可以调动秀丽隐杆线虫中的脂肪储存，以提高蠕虫的能量水平。在九头蛇中，伊藤的团队也发现了一个既能调节新陈代谢又能影响睡眠的基因。
皮肤透明的鱼。
透明鱼Danionella translucida可能有助于揭示身体如何控制睡眠。詹姆斯·贾加德、菲利普·莫兰、亚当·道格拉斯和阿德里亚德·佩纳尔瓦
剥夺研究还指出睡眠的代谢作用。Sehgal 发现携带减少睡眠的突变的果蝇代谢氮的能力较低，这意味着它们可能难以分解和重建蛋白质以及处理废物。Sehgal 的团队于 10 月 2 日在 bioRxiv 上报告说，结果是一种称为多胺的带电分子的积累，这些分子可以破坏 DNA 和 RNA。“当我们睡眠不足时，受影响的不仅仅是大脑功能，”她说。
哈佛医学院生物学家 Dragana Rogulja 及其同事去年在Cell 上报告说，睡眠剥夺似乎还会攻击果蝇和小鼠的肠道，导致称为活性氧的有害分子的积累。研究小组发现，不知何故，这种积累导致两个物种过早死亡。Rogulja 怀疑肠道是多细胞动物最早进化的器官之一，它是睡眠的最初受益者之一，并且“随着动物变得更加复杂，许多 [睡眠的] 额外作用也随之进化。”
然而，要了解动物睡眠的本质，需要在如此简单的物种中进行研究，它们甚至没有肠道。Raizen 决定研究扁盤動物——圆形、扁平、透明的生物，不比芝麻大，只有两层细胞，每一层都有鞭状突起，称为纤毛。Placozoans 缺乏神经细胞；它们的细胞通过控制纤毛运动的化学分泌物进行交流。美国国家神经疾病和中风研究所的神经科学家 Carolyn Smith 对它们进行了 10 多年的研究。
Placozoans使用它们的纤毛在潮汐线上沿着岩石随机爬行，直到它们检测到微藻并停下来吃草。汉诺威兽医大学的进化生物学家 Bernd Schierwater 指出，它们在夜间变慢。他认为放缓代表“迈向睡眠的第一个[进化]步骤——获得休息的节奏”，为下一个喂养周期充电。他说，对于缺乏耗能神经细胞的动物来说，这可能足以得到喘息的机会。
扁盤動物，一种外观类似于变形虫的简单多细胞生物
研究人员想知道早期进化的扁平动物是否会睡觉。WOLFGANG JAKOB/SCHIERWATER 实验室
史密斯认为睡眠中的扁盤動物的想法很愚蠢——直到水母和九头蛇的研究得出结论，睡眠不仅仅是聪明的生物的专利。有时，扁盤動物会原地旋转，史密斯怀疑这也可能代表一种睡眠。她指出，因为这些生物在暴露在紫外线下时会畏缩，所以有可能测试它们在这种状态下是否对紫外线没有反应。她为 Raizen 提供了一些动物来进行此类测试。但他无法让它们在实验室里存活——它们是非常挑剔的食客——最终他放弃了。
乔伊纳的马勃海绵也有类似的问题。他和他的合作者、斯克里普斯海洋研究所的海洋生物学家格雷格·劳斯 (Greg Rouse) 培育了这些敏感生物，它们需要不断供应富含微生物的新鲜海水。乔纳每天在去收集海水的路上都会在海边停下来。研究人员将装有海绵的浴缸放入孵化器中，以控制光照水平和温度。然后他们在浴缸上安装了一台数码相机，以观察海绵身体在通过它们的腔室抽水过滤食物时细微的收缩。
最终，在浴缸中磁力搅拌器的帮助下，他们能够保持海绵足够健康，以至于它们开始收缩——大约每 3 小时一次。乔纳说，这令人兴奋，因为它为研究人员提供了一种可靠的行为，他们可以监测与睡眠相关的变化。
对另一种海绵物种的研究表明，这些动物具有休息周期，这可能使它们在每天抽水量相当于其体积的 1000 倍后重组和恢复细胞活力。昆士兰大学圣卢西亚分校的海洋生物学家 Sandie Degnan 和 Bernard Degnan 在大堡礁发现的昆士兰 Amphimedon的收缩中发现了每日节律的迹象。在对其基因组进行测序后——这是第一个海绵的基因组——他们在 2017 年报告说，其他生物体中一些与昼夜节律相关的基因以 24 小时为周期打开和关闭. 在未发表的研究中，研究生 Davide Poli 观察到海绵身体的特定区域似乎全天停止泵送，就像轮班工作一样。他说，这可能是“类似于睡眠的行为”。
埃德蒙顿阿尔伯塔大学的海洋生物学家萨莉·莱斯 (Sally Leys) 表示，未来的研究可能会使用谷氨酸盐或其他刺激收缩的物质，让海绵不停地抽水数小时甚至数周，以测试它们的健康状况是否下降。“这可能表明，作为一种多细胞动物，你依赖于组织可以修复和再生的时期。”
如果整个身体的细胞都受益于睡眠，那么这些细胞在睡眠发生时会有一些发言权是有道理的。寻找睡眠的广泛控制开关可能会导致研究人员找到治疗睡眠障碍的新方法，仅在美国就有 6000 万人受到影响。
加州大学洛杉矶分校的神经科学家 Ketema Paul 研究了 Bmal1，这是一种无处不在的蛋白质，可调节基因表达，以帮助睡眠不足的小鼠保持清醒而闻名。到目前为止，研究人员一直假设大脑制造并使用 Bmal1 来完成这项任务。但保罗和他的同事发现，睡眠不足的老鼠依赖于肌肉中产生的 Bmal1。他怀疑这种蛋白质可能是某种途径的一部分，该途径以某种方式帮助将肌肉消耗与困倦程度联系起来。他希望一种针对肌肉的 Bmal1 药物有朝一日可以抵消通宵的负面影响。“我是那些认为睡眠与大脑有关的人之一，”他笑着说。“这不仅是一个错误的观点，”这也是他的许多同事仍然持有的观点，他说。
其他小鼠研究表明，胃肠道、胰腺和脂肪组织会产生称为神经激素的信号分子，似乎会影响睡眠的开始和持续时间。了解从这些器官到大脑的反馈“可能会提出新的药理学方法，使用针对大脑以外器官的药物，”Sehgal 说。
Mourrain 在斯坦福大学的团队正在开发一种方法来观察反馈过程在缩略图大小的透明鱼Danionella translucida 中逐个细胞进行。通过使用荧光标签和其他标记物来跟踪鱼的大脑和身体中某些分子的活动，他的团队将观察不同类型的细胞如何随着时间的推移控制睡眠并从中受益。
他回忆说，当 Mourrain 15 年前开始研究鱼的睡眠时，“有很多人反对鱼不睡觉。” 大约 2 年前，情况发生了变化，当时他和他的同事为鱼开发了多导睡眠图技术，并发现它们和人一样，在安静和活跃的睡眠状态之间循环。“这是我们领域的一个转折点，”Mourrain 说，让怀疑论者相信鱼可能是睡眠研究中哺乳动物的良好替代品。
橙色海绵会成为下一个让睡眠怀疑论者震惊的生物吗？也许不是马上。Joiner 和 Rouse 无法保持他们的海绵健康足够长的时间来进行可靠的实验。经过几个月的断断续续，他们暂停了工作以重新考虑设置。然后，COVID-19疫情影响并关闭了实验。Joiner 没有人员来启动它。
但另一块海绵可能会继续，以表明即使是最简单的动物也确实在睡觉。在电子邮件中，伊藤腼腆地提到了他的实验室对这些简单生物的研究。妈妈现在是这个词，似乎。“这些都是正在进行的项目，”他写道。“请期待他们。”