研究人员发现这种动物的大脑总是一个半球处于慢波睡眠-重庆新闻630-亚洲新闻网
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海豚环境-研究人员发现这种动物的大脑总是一个半球处于慢波睡眠-亚洲新闻网

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我們已經知道,在鯨豚類和其他動物身上,「睡眠—醒覺周期」由多個腦部結構的互動控制,包括腦幹﹑下丘腦和基底前腦。我們目前掌握的線索,仍不足以揭示是什麼在精確地調控半腦睡眠。

1.睡眠周期和醒覺周期不管是動物還是植物,地球上的生物都有一個非常顯著的特徵,那就是它們的生理和行為已經適應了白天和黑夜的交替。大腦的生物鍾與環境信號同步,機體的生理變化也多以24小時為周期,即晝夜節律。也就是說,大腦神經迴路的動態變化重演了地球的自轉。為了平衡休息和生存,鯨豚動物、一些鳥類演化出了獨特的睡眠方式。它們可以只用一半大腦睡眠,同時讓一半大腦保持清醒。

候鳥在進行不停歇的長距離遷徙期間,也會採取不同的睡眠策略。2016年,前往德國工作的拉滕堡和團隊趁小軍艦鳥(Fregata minor)在當地遷徙停留,研究了它們的USWS和 BSWS睡眠模式。研究顯示,當小軍艦鳥經歷USWS 睡眠時,與清醒大腦半球對應的那隻眼睛是睜開的,並看着鳥群前進的方向。另外,美國鮑林格林州立大學的托馬斯·福克斯Thomas Fuchs)在2006年發現,斯氏夜鶇(Swainson)通過日間小憩,以及在棲息時閉上一隻眼睛,來彌補夜間飛行缺少的睡眠。

USWS的野外研究發現,讓科學家開始用它來探索睡眠對初生動物大腦發育的影響。1999年,意大利帕多瓦大學心理學系的團隊(包括本文作者)發現,新生原雞(Gallus Gallus)在孵化后的第一周經歷了更多的左腦睡眠。在出生后的前幾天,這些雛鳥傾向於使用左邊的大腦來第一次處理外界刺激—包括圖案和顏色。因此,睡眠似乎可以幫助它們整合新學習的知識。從第二周開始,當雛鳥進行更多與空間和處理新事物有關的活動時,它的右腦睡眠也增加了。當我們訓練雛鳥進行顏色辨別任務時,它們就會經歷更多的左USWS(右眼閉合、左腦睡眠),因為左腦是學習顏色的主要腦區。當進行空間任務時,比如從圍欄角落裡四個容器中挑選出頂部帶孔的那個容器(裏面裝有食物),小雞使用的是左眼。當小雞完成任務后,它們在休息時就會經歷更多的右USWS(左眼閉合、右腦睡眠),證明右邊的大腦更擅長處理這類任務。

研究單半球睡眠動物或將有助於解開睡眠的生理謎團,甚至還能解決人類的睡眠問題。呼吸暫停和其他生理疾病對一個大腦半球的影響往往比另一個大腦半球更大。單半球睡眠研究或許可以解答,一個物種如何在享受休息帶來的好處時,還能保護自己避免遭到捕食。使用一邊大腦睡眠是解決這種困境的絕妙答案,因為動物可以同時處於清醒和不清醒的狀態。源自赫拉克利特殘篇里的一句話「沉浸在睡眠中的靈魂亦在努力工作併為世界作出新事物」,可以算是單半球睡眠研究的完美註腳。

「睡眠—醒覺周期」是一種典型的晝夜節律。醒覺的特徵是感覺活動和運動;在睡眠期間,生物的感官不再與周圍環境互動,運動也會減弱。這種周期性意識缺失在腦電圖(EEG)上有非常清晰的信號 :深度睡眠時,大腦主要進行高振幅的慢振蕩。相反,覺醒時,大腦主要進行快速的低振幅振蕩。然而,還有很多與睡眠有關的謎題尚未解開。為什麼動物會讓自己一連幾個小時處於喪失基本感覺和運動能力的狀態下,任由自己成為捕獵者的目標?這個問題在水生哺乳動物身上尤其重要,因為它們需要在睡眠時調整呼吸並維持體溫。令人驚奇的是,有些動物發展出了一種特殊能力來解決這個問題。也就是說,它們可以只用一半大腦睡眠,讓另一半大腦保持警覺,即單半球慢波睡眠(uniheimisphericslow-wave sleep,USWS)。還有一些生物在某些情況下會使用USWS,但有時也會讓整個大腦參与睡眠。海洋哺乳類﹑鳥類和一些爬行類動物能進入半清醒半睡眠的狀態,有時候會在這些間隔期間中睜開一隻眼睛。最近,研究人員甚至在人類身上發現了一種退化形式的單半球睡眠。半睡眠現象為睡眠科學提供了廣闊的研究前景。研究處於睡眠狀態的半邊大腦時,另一半就成了天然的對照組。海豚和一些鳥類在缺少睡眠時也能正常存活,或許能為治療人類睡眠障礙提供新思路。

4.第一晚效應人類不會進入典型的USWS狀態,但我們偶爾也會經歷一些類似的情況。美國布朗大學的玉置應子(Masako Tamaki)和團隊進行了一項研究,記錄了人們在陌生環境中過夜的腦電圖。玉置應子在2016年發表的一篇文章中指出,腦電圖顯示這些人的右腦出現了代表深度睡眠的慢波,而左腦則是淺層慢波,這表明他們處於更加警覺的狀態。此外,左腦也更容易被喚醒。這種不對稱被稱為第一晚效應,因為這種效應在第二晚就消失了。但一到陌生環境里,這種警覺性仍會再次出現。這讓人聯想到對嬰兒的哭泣聲保持低覺醒閾值的媽媽們。

【環球科技】在睡眠時,動物的各種感官失去了感知周邊環境的能力,運動也減少了。這不禁讓人疑惑,為什麼動物會讓自己一連幾個小時處於喪失基本感覺和運動能力的狀態,任由自己成為捕獵者的目標?

最活躍的大腦半球—無論是進行USWS還是BSWS—都相對花費了更多時間來睡覺、恢復。同時,與不佔主導地位的大腦半球同側的眼睛負責注意捕獵者,並對周圍環境保持警戒。我們發現,在籠子上方移動黑色物體會讓處於USWS 狀態下的雛鳥受到驚嚇而立刻醒來,併發出求救聲。即便剛出生的雛鳥需要犧牲一些睡眠時間,來適應新世界的強烈感官體驗,但這似乎並不影響它們始終保持警惕。

海豚同時還要面對冰冷海水導致的熱量損失。約翰內斯堡威特沃特斯蘭德大學的普拉尼什里·皮萊(Praneshri Pillay) 和保羅·R·芒格(Paul R. Manger)觀察發現,海豚在休息時保持一邊大腦半球清醒,使得它能夠在水中頻繁擺動鰭和尾巴,並在靠近水面處盤旋遊動,以此保持體溫。

2.似睡非睡半腦大腦睡眠的研究始於 1964年。當時,備受爭議的研究員約翰·C·利利(John C.Lilly)觀察到海豚在白天休息時,只閉上了一隻眼睛,他因此提出海豚可能只用一邊大腦睡眠。利利推測,海豚在睡眠的時候仍能觀察和聆聽周圍的環境情況。

為了平衡休息和警戒的需求,一些鳥類也會進入單半球睡眠(有時候是USWS、BSWS和REM的組合)。1996年,波蘭尼古拉斯·哥白尼大學的賈德維加·西姆恰克(Jadwiga Szymczak)在一隻烏鶇大腦的一側,記錄到了慢波腦電圖。2001年,當時在印第安納州立大學生命科學系的尼爾斯·C·拉滕堡(Niels C. Rattenborg)和同事在鴿子身上也發現了這一現象。在兩年前,拉滕堡就發現綠頭鴨只用半邊大腦來睡眠,以此防範威脅。在鴨群邊緣且只用單眼睡眠的鴨子經歷的USWS水平,要比鴨群中間的鴨子高出150%。鴨群哨兵睜開的那隻眼睛始終盯着鴨群外圍。在1989年的一項研究中,澳大利亞墨爾本大學的馬克·A·埃爾加(Mark A.Elgar)指出,當群體變大或動物個體向群體中心移動時,動物個體的警惕性就會降低。

後續研究最終弄明白了鯨目動物的大腦是如何工作的。鯨目動物,包括鯨魚﹑海豚和鼠海豚仍是半腦睡眠的主要研究對象。這些動物保留着祖先在陸地生活時的兩個特徵 :用肺呼吸和維持恆定體溫(體溫調節)。用單邊大腦睡眠似乎有利於它們在水中保留這些特徵。

從表面上看,在兩個大腦半球之間傳遞的抑制信號會讓一邊半球保持清醒,讓另一邊半球進入睡眠。位於腦幹的后連合等大腦深部結構也參与其中(海豚的后連合非常大,這不禁讓人思考它在管理睡眠中的作用)。凱季奧拉和同事構建的模型讓神經科學家得以研究海豚大腦如何將睡眠精細地分配給兩個半球。環境信息似乎也起到了一定作用。由於下丘腦中促進睡眠的神經元具有溫度敏感性,因此大腦溫度的改變就會影響這些神經元的放電水平。事實上,穆克梅托夫和同事在1982年發現,當海豚處於 USWS 時,睡眠的大腦半球的溫度下降了,而清醒的大腦半球則維持不變。

在水中經歷USWS的時候,北海狗採取的姿勢可以讓它們同時睡眠﹑呼吸和注意正在接近的捕食者。北海狗睡眠時,它們側躺身體,讓一扇鰭在水中持續擺動,另外三扇鰭則放在水面上,減少熱量損失。與此同時,它們的鼻孔也在水面上,以保持呼吸。與擺動的鰭和睜開的一隻眼睛不在同一側的大腦半球是清醒的,能夠發出運動指令來擺動鰭並維持身體姿勢。在陸地上,USWS允許北海狗注意捕獵者並協調與同伴的活動,但不能控制呼吸﹑體溫或動作協調。

2012 年,悉尼大學的戴維·J·凱季奧拉(David J. Kedziora)和同事構建了一個USWS的數學模型,用來代表海豚的睡眠習慣。在模型中,兩個半球位於下丘腦的亞結構—即腹外側視前核,能夠在單個半球睡眠時交換信息,對睡眠進行調控。

有些動物選擇輪流進行USWS,來分擔缺少睡眠的問題。半睜眼的綠頭鴨哨兵雖然減少了睡眠,但它的行為並不受影響。到了第二天,哨兵的任務就交給群體里的其他成員了。單半球睡眠之所以吸引研究人員,是因為它展示了動物們為保證日常休息而採取的不同演化策略。

穆克梅托夫和同事在1997年指出,睡眠研究中的海豚看上去總是非常健康。在人工飼養的環境中,近距離觀察發現,海豚能夠學習並記住複雜的任務。軍艦鳥在長途飛行時大幅減少了總睡眠時間,但仍能保持高度的注意力和飛行效率。

然而,北海狗(海獅科)則是另一種情況。2017 年,謝韋爾佐夫生態與演化研究所的奧列格·I·利亞明(Oleg I. Lyamin)指出,與似乎很少經歷BSWS,並且可能永遠都不會進入REM睡眠的海豚不同,北海狗在水下和陸地上有多種睡眠方式,包括BSWS﹑REM和USWS。在陸上,北海狗的睡眠方式主要是BSWS。在水中, 北海狗進行USWS的睡眠時間比在陸地上長。而在水中時,REM睡眠會減少,甚至完全消失。

經過離開家的第一個晚上,我們可能會感到睡眠不足。但對只用半邊大腦來睡覺的動物來說,這種睡眠方式似乎對它們的日常生活並沒有任何影響。相比使用BSES或REM睡眠策略的動物,習慣了USWS的動物花在睡覺上的時間更少。即便這樣,它們的遊動﹑飛行﹑進食和與同伴進行社交的能力並沒有減弱。海豚在一天里有幾乎三分之二的時間是清醒的,剩下的時間則用兩邊大腦交替進行USWS睡眠。儘管缺乏REM睡眠,海豚大腦和身體的恢復似乎並沒有受到影響。

一些動物發展出了一種特殊能力來解決這個問題,它們讓一半大腦進入睡眠,同時讓另一半大腦維持警覺—一種名為單半球慢波睡眠的中間狀態。動物身上半睡半醒的現象為睡眠研究提供了重要幫助。當研究處於睡眠狀態的半邊大腦時,另一半就成了實驗必要的對照組。如今,都市人倍感焦慮,失眠問題得到了越來越多的關注。關於動物睡眠方面的研究很將有助於了解人類的睡眠疾病。

3.睡眠還是捕食鯨目動物與河馬等其他偶蹄類動物有着共同的祖先。從陸地環境到水生環境的適應是漸進式的,而且很有可能存在半水生過渡,並涉及重要的生理和行為調整。可以說,鯨目動物獨特的睡眠行為是為適應新環境而在睡眠和生存之間權衡后的結果。其他動物身上也有相似的權衡。例如,海豹採取了多種演化策略來解決在水下和陸地上與呼吸﹑睡眠密切相關的問題。一些海豹種群根本沒有USWS,比如包括豎琴海豹和象海豹在內的無耳海豹。

1994年,尼爾斯·C·拉滕堡發現綠頭鴨只用半邊大腦睡眠,以此防範威脅。單半球睡眠研究或許可以解答,一個物種如何在享受休息帶來的好處時,還能保護自己避免遭到捕食。使用一邊大腦睡眠是解決這種困境的絕妙答案,因為動物可以同時處於清醒和不清醒的狀態。

在USWS期間,海豚清醒的大腦半球負責控制游泳和浮上水面呼吸。利利根據粗略的觀察總結出,海豚睜開的那隻眼睛與清醒的大腦半球相連,從而讓海豚在另一半大腦休息時,也能防範捕獵者並與同伴一起遊動。1999年,美國洪堡州立大學的P·唐恩·戈利(P. Dawn Goley)觀察到,當海豚成群結隊地游泳時,成員身上睜開的那隻眼睛會與其他成員保持眼神交流。意大利熱那亞水族館的吉多·戈諾(Guido Gnone)和同事在2001年也觀察到了這一現象。如果同伴遊到了另一邊,海豚睜開的眼睛也會調換。

最近,俄羅斯科學院謝韋爾佐夫生態與演化研究所的列夫·穆克梅托夫(Lev Mukhametov)和同事對鯨目動物的大腦開展了更深入的研究,研究對象是瓶鼻海豚。在腦電圖上,研究人員發現這種動物的大腦總是一個半球處於慢波睡眠,而另一個半球處於清醒的狀態。兩個半球很少同時處於睡眠狀態(即雙半球慢波睡眠,BSWS)。同時, 他們也沒有記錄到與做夢有關的快速眼動睡眠(REM)。

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