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2019-08-07 13:58
破坏我们生物钟的“罪魁祸首”竟是爱迪生?

出品公众号:“SELF格致论道讲坛”(ID:SELFtalks),作者:张洪钧,中国科学院神经科学研究所研究员,封面:东方IC


“为什么上了年纪睡眠时间就变短?为什么夜里3点醒后就再也睡不着?褪黑素是很重要的一个原因。”


也许我们都小看了睡眠


睡眠是大家很关注的话题,那么有多少人每天是靠着闹钟起床的?靠着闹钟起床的人不算睡得好的。


这里面有个金标准,靠生物钟正常的循环唤醒自己起床才算是睡得好的状态。



生物钟是什么呢?因为地球每天24小时昼夜循环,所以人才有了所谓的日出而作、日落而息的生活形态。


事实上,这里面有很多与生命科学相关的非常重要的课题,比如激素代谢,就是研究一天24小时里,人的内分泌的差别。


也有人研究清醒进食,研究的是体内的代谢,比如营养是怎么累积的,脂肪是怎么出来的。


还有一个很重要的研究是关于分子钟的,分子钟代表每个细胞都有时间计时器的存在,维持整个生命主轴的运行。


关于生物钟的研究古世纪的时候就有很多发现,包括中国的《皇帝内经》,以及古埃及和西方世界对昼夜的观察。


十八世纪的生物钟实验


这里讲一个法国麦兰做的关键实验。大家都知道含羞草白天的时候叶子是打开的,到了晚上叶子会闭合。


很少有人专注细节,研究含羞草每天24小时经历的循环是不是光照启动的。所以麦兰设计了一个箱子,箱体是不透光的,他把含羞草放进去,结果发现含羞草在没有光照的情况下,白天时叶子是打开的。


这证明了生命体有着相对稳定的24小时的生理周期。


20世纪70年代,基因突变筛选成为很重要的遗传学研究手段,有两位科学家Konopka和Benzer决定用遗传筛选的方式来研究生物钟。


他们的做法非常聪明,从改变果蝇的羽化循环,即从蛹变成成虫的过程入手。


果蝇羽化周期记录


上图是正常果蝇每天的羽化记录,是在上午完成的。他们收集了很多突变的果蝇品系,发现到其中一个品系的果蝇羽化时间非常乱,在一天当中的任何时间都有成虫出现,代表它的生物钟周期被打乱了。


他们同时也找到周期变短、以及周期变长的突变果蝇,这样就有了三种不同的生物钟表现:无周期、短周期和长周期。被筛选出来的基因被命名为“周期”(Period)


2017年诺贝尔生理医学奖:生物钟


这鼓舞了很多年轻科学家也加入到生物钟基因的研究行列,其中三位领航者在2017年还获得了诺贝尔奖。他们的工作包括成功克隆出周期基因。


通过周期基因,他们发现一个很重要的观点:如果要很好地完成24小时的循环,不可能经过一个元素就能实现,必须增加至少1个元素来完成“开始—停止”的过程,他们那个时候不知道这是什么,所以叫X因子。


细胞内的循环


经过三四十年的研究,我们现在知道能影响生物钟的X因子远远超过当初的设想。图中右上角黄色的区块代表周期基因。它有一个开关,这个开关在遗传学上叫做转录因子,红色框里的就是转录因子Bmal1、Clock。


这些重要的蛋白驱动着生物钟基因的表达,使得24小时的“开始—停止”可以发生。从图中可以看到,这些蛋白像计时器一样,回来告诉开关该停掉的时间。并且通过多个蛋白协助计时,像网络一样地提供时间细节给细胞,完成生物钟和代谢循环调节等。


24小时生物节律


我们的肝脏、脂肪组织里都有生物钟的存在。相当于我们白天倾向积累能量,在吃得多的时候把能量以脂肪酸存在脂肪组织,还有肝糖存在肝脏里。


这样的过程,如果没有生物钟基因在一天的范围里好好建立的话,会造成生物节律的紊乱状况。打乱生物钟的方式有很多种,比如睡眠不足或是在睡前吃一餐。


越来越多的研究发现,生物钟紊乱的后果会导致很多疾病的发生,例如糖尿病、代谢疾病以及衰老等。


我们是否花费了太多的时间睡觉


人睡觉的时间长度是不是合理呢?我们是不是睡太多了?


不同生物睡觉图


给各位看一下各种生物睡觉的时间,图中上面代表的是白天睡觉的生物,下面代表的是晚上睡觉的生物。人在正中间一天大概睡8小时。


有一个很有趣的现象,大型的哺乳类动物睡觉的时间都非常短:马睡两三个小时;长颈鹿非常短,每天只需睡30分钟到一个小时;大象睡4个小时;抹香鲸睡一两个小时。抹香鲸是怎么睡的呢?它是立着睡的,很轻松地垂直在海里飘着睡。


在小型动物里,小鼠要睡12个小时。为什么小动物睡得长一些,大型动物不需要睡那么长时间?这是一个还没有完全解决但很有趣的生物学课题,将来一定有很有趣的答案等着我们。


最佳睡眠范围


这幅图显示的是不同年龄段睡多长时间比较合理。从最左边的婴幼儿期一路到了老年时期。


6岁~13岁的儿童每天应该睡9个~11个小时,成年人7个~9个小时。睡得好跟学习效果也有关联,后面也会提到睡眠和学习的关系。


名人们的睡眠时间


当睡眠较少,甚至到了适当范围以下,不足6个小时的时候,各位如果觉得还能够很清醒,做出很好的工作判断的话,恭喜各位与图中这些名人一样,拥有特殊体质。


他们睡眠时间都非常短。达芬奇每天只睡2个小时;拿破仑躺下来睡3个~4个小时,但是在开会的过程中会打个盹,一般而言不超过5个小时。


爱迪生这个人很特别,我特意讲一下,他是破坏我们自然节律最全面的人。为什么呢?因为他发明了灯泡,给现代文明社会的夜晚增添了光污染的危害。


另外,他自己也不喜欢睡眠,他曾经说过:“睡眠是浪费时间的,是穴居野蛮时代的延续(Sleep is a criminal waste of time,and aheritage from our cave days)。”所以他对睡眠的态度是鄙夷和偏执的。


撒切尔夫人也睡得很少,一天大概睡5个小时,她认为“睡眠是给弱者的”(Sleep is for wimp)


这里提醒大家一个正确的观念:睡眠绝对重要,睡得好才是健康的基础。


上述这些名人因为拥有特殊的体质,也因为责任感太重而忽视了睡眠。撒切尔夫人晚年得了阿尔兹海默症,这个病与睡眠是不是有直接的关联?我想是有的,所以睡眠是很重要的。


大部分人一天是怎么睡的呢?主要有两种方式:一是晚上躺平睡足7个小时以上,二是在此基础上,有条件的话午饭后睡30分钟。


大家现在常常为了节省时间做更多的事情,会进行几次所谓的短睡、间歇式的睡眠,实际上这还是要看体质的。


刚才提到的达芬奇,他把一天分成6块,每工作4小时以后睡20分钟,累加起来一天就睡两个小时左右。


但是很多相信“达芬奇睡眠”的朋友试着自己去做,一周都撑不了,产生的“睡眠债“一整周时间都还不完。



顺带说一下,我们的国宝大熊猫是特殊体质的范例,它吃的东西十分无趣也没营养。它每天要花14个钟头以上去吃竹子。吃那么多竹子总要歇一下,它所以很容易产生吃一会儿,再睡一会儿这样的4次短睡情况。


讲到特殊体质,大家有没有特殊体质呢?我们可以了解一下自己的生活状态。有些人的确因为基因上的突变,而造成生活作息和一般人有所不同。提两个比较重要的例子:



一个是“早鸟”,即提前睡眠综合征。提前睡眠综合征的症状是什么样的呢?吃了晚餐以后立马要入睡,接着起床的时间是在半夜。如果想打电话给朋友的话基本上没人接,严重影响了社交。这个突变和周期基因2号的突变是有关的。


另一个是“夜猫子”,即延迟睡眠综合征。睡觉的时间是晚上3点以后,醒过来的时间要到中午。


没有具体研究证明这些特殊体质是不是有健康隐患,但是这一定会影响到他们的社交生活以及工作效率。这是生物钟基因影响睡眠时间的证据。


怎样检测睡眠


我们怎么研究睡眠呢?现在电子手环很方便,戴上以后很容易就能研究睡眠。实际上,当我们戴着电子手环的时候得到的数据是活动的和不活动的数据,用来间接判断晚上睡多久的数据。


最重要的研究睡眠方法是通过研究脑电波来评估睡眠质量与深浅。在头皮上贴电极,看大脑里放电的状况。



图中显示的是β波和α波。当单位时间内放电非常频繁时,代表我们是相对清醒的,我们的大脑在思考。当波来得越来越慢,尤其像δ波,单位时间一秒钟震荡一次甚至一次以下,间隔越来越大,波形越来越慢,代表整个睡眠进入到最深的状态,也叫慢波睡眠。


这是我们团队的仇佩缘和姜建博士记录的猴子睡眠数据。他们很仔细地把猴子的睡眠数据整理成开灯20分钟,关灯40分钟的时间。



观察它进入睡眠的情况。我们把这一小时的睡眠记录缩短成1分钟的短视频。



大家可以看到视频中的β波、α波一路切换到慢波的过程,中间间隔越来越大。


下面橙色的线代表肌肉放电活动的量,睡眠以后肌肉基本上就不动,放电变少了。左上角的脑电波显示脑子仍然是很频繁地放电,还清醒、活跃。


当下面的时间维度慢慢进入到12分钟、15分钟,到20分钟的时候用一个灰色的背景显示已经进入黑夜了。


一般而言,在黑夜里,一小时之内如果能达到很显著的慢波积累,进入深度睡眠,代表睡眠是不错的。


像这里大家可以看到左上角的间隔慢慢变大,慢波慢慢形成,到了45分钟的时候间隔越来越大,越来越大,然后有很明显的集体放电的现象。


这代表猴子基本在40分钟内就进入了最深的深度睡眠,这只猴子是相对健康的。关了灯以后能不能在一个小时内睡到深度睡眠,这是很重要的金标准。


为什么我们需要睡眠


为什么需要睡眠呢?想起来睡眠还是挺浪费时间的。如果我们在野外生活,睡觉时还是挺危险的。


在每年《科学》杂志公布的125个重要问题里“睡眠”名列第84位。现在主流的看法认为睡眠是为了修剪、优化学习而存在的。


学习信号


人每天在活动的时候肯定会产生一些学习信号。左边上面的图是白天的状态,会产生学习的信号,也会产生不相关的信号。


比如今天大家来听SELF的讲坛,听到与生物节律相关的话题,会产生学习信号。来之前,有人怕口渴,买了瓶水,这就比较像是无关信号。


当事后提取信息的时候,你不需要想到买了一瓶水,才想到生物节律这件事情。更多是加固生物节律里“生物钟是怎么开始的”,“含羞草相关的实验”,然后慢慢地把学习强化。


突触形成过程


具体可以看上面这张图。当黄色的神经元决定跟新的信息(下面红色的神经元)相结合的时候,会通过像扣钮扣一样的方式串起来,这就是突触形成的过程。该忘记的事情,像上面橙色的连接就断开了。


相对杂乱无章的事情,比如“上周二晚上你吃的什么饭”,很容易在晚间被修剪掉,因为这和知识相关的陈述性记忆并没有关联。




睡眠也是为了修复,我们每天大脑活动强度越大、工作力度越大的时候往往会产生一些“废物”。


我们代谢的速度越快,产生废物的速度也就越快,当废物越来越多,大脑就得休息了,所以睡眠时间跟代谢速度是成正比的。


有一个例子可以说明,左边的图可以看到大象和小鼠的代谢速度相差12倍,这导致代谢慢的大象每天只要睡4个小时左右,而代谢快的小鼠要睡12个小时。


人介于大动物和小动物之间,需要的代谢速度高于大象,但远远低于小鼠,每天需要睡8小时。


当然,更多的实验积累会得出更好的解答。基本上,睡眠的功能就是修剪以及修复。


生物钟失调


生物钟失调的相关疾病有很多,像是睡眠障碍。代谢疾病,心血管疾病等,另外肿瘤、神经退行性疾病都是有关的。生物钟失调会造成慢病发生,进而加速了衰老。


年轻与年老的对比


我们可以拿24小时昼夜来画各种生理指数。图中包含活动力,上了年纪的人活动力会比较差一点,晚上活动力高一些则代表没睡好。


另外,褪黑素也很关键,当褪黑素积累的量不够,产生深度睡眠的时间就不够,睡眠时间不够的时候很容易造成图中的情形。


当我们试着把年轻人和老年人的睡眠情况放在一起观察的时候,很多人可能会问,为什么上了年纪睡眠时间就变短,为什么夜里3点醒后就再也睡不着?


褪黑素够不够是很重要的一个原因,褪黑素的量主导了睡眠量和睡眠深度。




健康的个体会进入深度睡眠以及快速动眼睡眠。不健康的个体到第二次深度睡眠和快速动眼睡眠交替时很容易因为褪黑素不足造成清醒,如果清醒状态超过一个小时,后面就没法睡了。


更不幸的是男性同胞,在衰老过程中慢波睡眠比例降低得非常明显,这也是很有趣的生物学相关的问题。


上述现象是正常衰老的现象。如果是提前衰老,当退行性疾病发生的时候,还会有更多生物钟紊乱的现象发生。


睡眠活动图谱


健康老人黑夜时间动得不是特别多,睡得还算好。但如果是有阿尔兹海默症和亨丁顿舞蹈症的人,他们的生物钟是完全紊乱的,活动量也受到影响,可以说是随时睡随时醒的状态。


帕金森症也是一样的情形,如果画出活动谱的话很像阿尔兹海默症。有研究发现帕金森病人血液里的褪黑素含量的确比较低,浅蓝色的线就是褪黑素含量,另外,刚刚所讲的对开关BMAL1的水平也下降了。


有人研究发现血液里的褪黑素含量的确比较低,浅蓝色的线就是褪黑素含量,另外,刚刚所讲的对开关Bmal1的水平也下降了。



整体而言,我们可以看到在临床研究里,当生物钟产生问题的时候,跟外界的联系越来越弱。


小鼠的实验里可以看到当敲除了关键生物钟基因的时候会造成一系列的慢病,最难验证的就是抑郁症,与情感相关的精神类疾病。



睡得不好会不会影响情绪?我们知道会。但关键是不是有遗传基础来证明这件事情。比如我们知道北欧冬季的光照时间只有5个小时,这很容易产生季节性相关的抑郁症,给抑郁病患抽血之后可以看到,有很多生物钟的基因变异参与了抑郁症的发生。


为什么需要猴模型


如果我们想要拿生物钟来了解这整件事情,并且拿生物钟相关的干预对睡眠障碍、代谢疾病等尝试治疗的话,显然目前现在的模型是不够的。



所以,我们需要增加除了小鼠以外的生物模型。我们知道果蝇、小鼠在生物钟研究中做了很多贡献,猴模型也可望对我们未来的生物钟紊乱干预、睡眠紊乱的干预做出很好的贡献。



为什么需要猴模型?原因之一是小鼠是日夜颠倒的,见不见光的反应不好模拟人的抑郁等精神类疾病状态。另外刚才所提到的生物钟表达的曲线,像Bmal1、Per1这些基因,可以明显看到昼夜表达小鼠和灵长类也是相反的。



所以我们神经所的团队近期做了很重要的一个工作,我们做了世界首例的生物钟紊乱猴模型。这个模型是神经所团队努力合作的成果,这里我们把重要的生物钟开关BMAL1敲除了。


我们知道它的生物节律会乱,我们也知道它的睡眠会缩短,但是我们惊讶地发现它在1岁左右(相当于儿童六七岁左右)就发生了生物钟紊乱的情形。



在开灯之前它很容易提前醒过来,每天少了3小时左右的睡眠。我们使用脑电记录来分析它睡眠的时间,本来正常猴子慢波睡眠应该在26%左右,快速动眼睡眠在8%左右,BMAL1敲除猴的两个睡眠都缩短,整体睡眠不过20%的时间。


野生猴与敲除猴睡眠时间长度


这跟刚刚提到的提前衰老是很像的,睡眠的量已经到了退休年龄相对应的量。


另外刚才提到一个比较难证明的问题,生物钟基因敲除造成生物钟紊乱,会不会直接导致情绪类的疾病?我们试着去分析它的抑郁和焦虑的表型。


最经典的实验是把正常猴子和敲除猴都放在一个新环境里。新的环境因为更大、更干净、更漂亮了,正常猴子会非常兴奋,所以在20分钟里它会有探索的行为。图中红色部分是20分钟的轨迹,它很高兴看到这个新家。


敲除猴抑郁到新的笼子,没伤害过它的环境也不敢探索。20分钟里它就呆在离走道最远的角落,就算是动了也会选择爬上去,看看环境会不会有害。


野生猴与敲除猴的皮质醇


它的忧虑太多,对新鲜的事物不感兴趣,这都是抑郁症忧虑症的范围。通过实验,我们发现生物钟紊乱的确会造成抑郁的表型。


通过视频,我们可以看到,正常猴子对人类是有好奇心的,可以跟人对视,也可以接人给的水果吃。


但是敲除猴看到人会非常惧怕,只会抱着头,哪怕你拿着苹果看它,它也倾向于你放下以后,它再拿着吃。这很好地证明了生物钟基因和生物钟紊乱造成了情绪类疾病的发生。



将来,我们想利用猴模型做一系列的干预,不论是退行性疾病、代谢衰老相关的疾病,还是抑郁症,我们都希望能够在猴模型里实现。


我们还会持续进行研究,跟各位分享更多更重要的发现。最后希望各位每天睡个好觉,维持好自己的生物钟。谢谢各位!


本文出品自“SELF格致论道讲坛”公众号(SELFtalks),转载请注明公众号出处,未经授权不得转载。


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