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一直以来，维也纳分子病理学研究所(IMP)的科学家们利用线虫来研究睡眠的基本问题。通过先进的技术，他们监测了线虫在进入睡眠和醒来时大脑中所有神经细胞的活动。这项突破性的研究成果已于近日发表在了《Science》上（点击左下角阅读原文）。
睡眠是动物的一个普遍特征：每个神经系统似乎都需要定期地进入放松状态，在此期间大脑活动发生显著改变。在我们日常生活中，睡眠至关重要，但是科学家们仍然不清楚睡眠到底是怎么回事。
IMP的神经生物学家Manuel Zimmer领导了一个研究团队，他们利用秀丽隐杆线虫详细地研究了大脑在清醒和睡眠之间转换的方式。研究结果表明，对于疲倦的动物来说，睡眠是大脑的一种基础状态，如果外界环境中没有强烈的刺激，睡眠状态就会自发地建立起来。
Manuel Zimmer将这种状态比喻为在山谷中沉寂的石头，如果想把石头抬到山上需要一些努力，但如果不管它的话它就会自己回到山谷。这与唤醒沉睡的秀丽隐杆线虫相同，使它们的大脑清醒之后，如果它们仍然疲劳且不受影响，就没会再次回到睡眠状态。科学家们使用术语“吸引子（attractor）”来描述这个过程。Zimmer说：“我们认为这种吸引子机制是一种有效的方式，像睡眠和清醒整个过程能够以这种方式在大脑中进行。”
用于睡眠研究的蠕虫模型
秀丽隐杆线虫被用于睡眠研究的原因是，它的神经系统只含有302个神经元。它们很小，但是可以利用先进的显微镜技术观察到所有神经细胞的活动，达到单个细胞的精度。当我们监测大脑在睡眠和清醒之间转换的重新配置时，这是我们获得新发现的关键。
科学家们面临的另一个挑战是对蠕虫在进入睡眠和醒来时进行控制。博士生Annika Nichols和Tomáš Eichler建立了一个有趣的实验系统，利用氧浓度变化作为开关。在秀丽隐杆线虫的自然栖息环境中，富含各种微生物的土壤使氧含量很低。研究人员发现，如果秀丽隐杆线虫疲劳的话，在这种环境中它们会感觉到舒适并且会进入睡眠。Nichols和Eichler发现，富含氧气的新鲜空气会使睡眠的动物清醒，使它们快速醒来。Nichols说：“在我们的实验中，这是一种使蠕虫在睡眠和清醒状态之间转换的有效方法。”
衡量疲劳程度的神经指标
Nichols在使蠕虫在睡眠和清醒状态之间转换的同时记录了大脑中所有神经元的活动。她发现，在睡眠期间，大部分在清醒时非常活跃的神经细胞都会安静下来。然而，一些特定类型的神经细胞仍然保持警觉状态。其中一种神经细胞被称为RIS，过去的研究表明，它能够分泌一种睡眠物质促进睡眠。Nichols发现，清醒的动物在容易进入睡眠的状态时，RIS的活动就已经提升了，也就是说RIS可以作为衡量大脑疲劳程度的指标。
睡眠是大脑默认的吸引子状态
在监测进入睡眠的大脑活动时，Nichols收获了一项有趣的发现：她的计算机分析表明，神经网络的活动自发进入了一种安静平稳的状态。最初，研究人员认为是RIS细胞强制神经系统进入休眠状态，就像乐队的指挥让乐队停止一样。然而，数据分析表明，RIS的作用似乎更像一个调停者，它负责平息大脑中所有相关方的争论，之后所有参与者采取一致性行动。这种方法的好处在于，清醒和睡眠之间的剧烈变化可以相当精确地利用大脑中的一些“调节旋钮”来触发。
尽管线虫和人类的大脑存在很多差异，但是这些研究结果也为研究大脑组织的基本问题提供了非常有前途的模型。
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