神经系统

我们每个人都要睡觉，通常是在床上躺下，停止身体活动，闭上眼睛，然后意识逐渐丧失，对外界的情况不再感知和反应，直至醒来。 类似的情形也发生在其他动物身上，例如猫、狗、鸡、鸭等动物都会睡觉。猫和狗睡觉时会卧下，眼睛关闭，身体静止。鸡和鸭睡觉时，可以卧下，也可以单腿站立，头弯过来，将嘴插入自己的翅膀下面，闭上眼，并且维持这样的姿势不动，直至醒来。 睡眠占用大量的时间。人每天要睡大约8个小时的觉，在睡觉期间不能做任何事情，相当于生命时间的三分之一被“浪费”掉了。有记录的，睡眠时间最长的动物要算犰狳（Armadillos，Chaetophractus villosus），每天要睡17-20个小时，也就是一生中大部分时间都在睡觉。在睡眠期间内，动物不能捕食和进食，而且由于意识丧失，不能感知环境的变化并且做出反应，更容易被其他动物捕食，对自然界中出现的危险（如山洪暴发）也不能及时躲避。 也就是说，睡眠的消极作用是很大的。既然如此，为什么动物又要演化出这样一种身体状态？如果演化过程使得动物不需要睡眠，不是可以更充分地利用宝贵的生命时间，也减少在睡眠时出现的危险吗？。 动物普遍要睡眠，说明睡眠对于动物来说一定具有绝对不能缺少的功能，其带来的正面作用一定超过负面效果。1971年，睡眠研究的先驱者，德裔美国科学家阿兰·瑞赫特沙芬（Allan Rechtschaffen，1927-2021）就说过，如果睡眠没有对生命绝对需要的功能，那就是演化过程所犯的最大的错误（If sleep doesn’t serve an absolutely vital function, it is the greatest mistake evolution ever made）。 睡眠的绝对必要性可以从睡眠缺失的后果看出来。人类的睡眠如果被扰乱，第二天的注意力会不集中，开会或者开车时会打盹，思维能力也会下降。长时期强制性地不睡觉更会使人神志不清，判断出错，出现幻觉，甚至精神错乱。有一种罕见的遗传病，叫做致死性家族失眠症（Fatal familiar insomnia），为PrPc蛋白编码的PRNP基因中有一个G到A的突变，使得蛋白中第178位的天冬氨酸变为天冬酰胺（D178N），蛋白变为朊病毒，使与睡眠密切有关的丘脑变性，患者完全不能睡眠，產生幻覺和恐慌發作，最后死亡。 科学实验表明，持续的睡眠剥夺也会导致动物的死亡。如果将大鼠放在水池上方的转盘上，并且监控大鼠的脑电波以判断它们是否入睡，一旦发现大鼠开始睡觉，转盘就会开始转动，大鼠如果不移动位置就会掉入水中，因此一直无法入睡，结果大鼠在剥夺睡眠11天后就死亡。用其它动物如猫、狗、兔做实验，也得到类似的结果，这些动物在剥夺睡眠两、三周内就会死亡。这些事实表明，睡眠对于动物的生存是绝对必要的。 睡眠是神经系统的一种状态。动物的神经系统是动物产生意识，接收外界信息并且加以处理的地方。睡眠时意识丧失，对外界信息不再反应，说明是神经系统的状态发生了变化。脑电图（用贴于头皮上的电极记录到的脑电活动）在清醒期和睡眠期的明显区别就证明了这一点。相反，身体其他器官的工作，例如心脏泵血，肺脏呼吸，肾脏排尿，肝脏解毒等，就没有随着清醒-睡眠周期而明显变化，例如清醒时的心电图和睡觉时的心电图就没有明显区别。 人、猫、狗、大鼠、兔子都是哺乳动物，鸡和鸭是鸟类，都是比较高级的脊椎动物，都具有高度发达的神经系统，包括大脑。他们睡觉，只是这些复杂神经系统需要的吗？脊椎动物中比较低级的爬行动物（如蜥蜴）和鱼类睡觉吗？神经系统更简单的无脊椎动物如软体动物、昆虫睡觉吗？只有神经节而没有脑的线虫睡觉吗？腔肠动物中的水母和水螅只有由神经细胞组成的神经网，连神经节都没有，它们也睡觉吗？如果所有具有神经系统的动物都睡觉，那么睡觉就是所有神经系统的共同需要，而不管这些神经系统有多么简单。研究睡眠对所有这些神经系统的共同作用，也就可以了解睡眠最基本的功能。 所有具有神经系统的动物都睡觉 要知道是否所有具有神经系统的动物都睡觉，首先要给睡眠一个定义。睡眠的重要特征是意识丧失和身体静止，但是麻醉和昏迷也会导致意识丧失和身体静止。现在认为符合以下特征的身体状态才能算是睡眠： 1， 各种动物有睡眠的特征姿势，许多动物还会选择睡眠地点。而动物被麻醉和进入昏迷状态时，并没有特征的姿势和有选择的地点。 2， 能够被迅速唤醒。虽然动物睡眠时一般不再对外界信息起反应，但是强刺激，包括强烈的身体触碰，强声，强光等，可以使动物从睡眠状态迅速变为清醒状态。被麻醉和处于昏迷状态的动物是不能被迅速唤醒的。 3， 动物都需要一定时间的睡眠，因此睡眠有补偿性。如果动物因为某些原因失去了睡眠，再次睡眠时会睡得更长，睡得更深，更不容易被唤醒。而麻醉和昏迷不是动物所需要的，也都没有补偿性，不会由于过去没有被麻醉和昏迷就自己去处于麻醉或昏迷的状态。 4， 受生物钟控制。动物在一天中的睡眠时间大致固定，例如多数动物晚上睡觉，白天活动，而夜行动物白天睡觉，晚上活动，但是都有规律。麻醉和昏迷不受生物钟控制，可以在任何时候发生。 5， 睡眠可以被催眠或者唤醒的化合物所影响。例如褪黑激素和抗组胺药可以促进睡眠，咖啡因会使人清醒。麻醉和昏迷则不受这些物质的影响。 6， 有特征性的表示睡眠的神经电活动。麻醉和昏迷时的神经电活动则复杂多变，随诱因和状况而彼此不同。 按照这些标准，所有被检测过的，具有神经系统的动物都睡觉。下面是通过外部观察发现的各种动物睡眠的情形，顺序是从脊椎动物中比哺乳动物和鸟类低级的爬行类开始，到神经系统最简单的动物水螅。 澳大利亚鬃狮蜥（Australian bearded dragon，Pogona barbata）属于爬行动物，有脑，晚上有8-12小时睡觉。睡觉时腹部贴地，眼睛关闭，身体不动。 鱼类中的斑马鱼（zebrafish）有脑，晚上睡觉，睡眠时身体不动，位置选择在水底或表面，呼吸变慢且不规律。如果在夜间通过敲打鱼缸的方式不让斑马鱼睡眠，下一次睡眠就会睡得更久，但是在白天斑马鱼清醒时敲鱼缸就没有这样的效果。西班牙猪鱼(Bodianus rufus)和濑鱼（wrasse）在晚上很容易被人从水中拿出而没有反应，明显是处于睡眠状态。彩虹濑鱼 (Coris julis)睡觉时会把自己埋在沙里，并且待在沙里从黄昏到天明。鹦鹉鱼（parrot fishes)睡觉时还会分泌一层粘液，将自己包裹起来。 鱼类中比斑马鱼更原始的是属于软骨鱼类的鲨鱼，和斑马鱼一样有脑。它们晚上在洞穴中或礁石下面睡觉，卧在海底，身体静止，对潜水员在附近游动也没有反应，但是在被潜水员拉尾巴时会突然清醒并且逃走。 黑腹果蝇（Fruit fly, drosophila melanogaster）有脑，每天大约有8-10小时处于不活动状态，多数在晚上。如果晚上不让它们睡觉，第二天就会睡得更长。 加州海兔（California sea hare， Aplysia californica）属于无脊椎动物中的软体动物，没有脑，神经系统含有5个神经节。晚上处于身体半收缩的睡眠状态，对水草（食物）刺激和用盐在尾部刺激的逃逸反应都变得迟缓。如果在夜间用频繁转移它们的方法来防止它们睡眠，第二天它们就会更多地处于睡眠状态。如果这些转移发生在白天，海兔就不会增加随后的睡眠时间。 秀丽隐杆线虫（Nematode，Caenorhabtidis elegens）是简单的两侧对称动物，身体呈线状，两头尖，长约1毫米，有302个神经细胞。头部和尾部各有一个神经节，之间有神经索连接。线虫发育过程中要蜕4次皮，每次蜕皮后都有2-3小时的睡眠状态，静止不动，身体有固定的卷曲姿势，不进食，也不容易被唤醒。剥夺这些睡眠会使线虫能够更快和更深地入睡，即进行补偿性睡眠。 倒立水母（Jelly fish，Cassiopea）属于腔肠动物（口同时也是肛门的动物），没有脑，神经系统呈网状。这种水母通常漂浮在浅海底，伞状体朝下，触手朝上，以利于共生的藻类进行光合作用，所以又称倒立水母。伞状体大约每秒收缩一次，用于过滤捕食。晚上收缩频率明显降低，对水流刺激的反应明显变慢，但是在第一次刺激30秒后再用水流刺激，反应就恢复到白天的水平，说明能够被快速唤醒。如果晚上用持续水流不让水母睡觉，第二天白天的活动就减少，对水流的反应也变慢。说明水母也有补偿性睡眠。 水螅（Hydra vulgaris）和水母一样是腔肠动物，没有脑，甚至没有神经节，神经系统呈网状，是具有神经系统的最简单的动物。水螅晚上活动大幅减少，但是闪光能够立即增加身体活动，说明这种类似睡眠的状态能够被“唤醒”。还原型的谷胱甘肽对水螅是食物信号，使得水螅的触手卷曲。但是如果在夜晚给水螅以谷胱甘肽，水螅做出反应的时间会明显延迟，说明睡眠状态的水螅对外界信息不那么敏感。如果在晚上摇动饲养容器来防止水螅睡觉，第二天水螅的睡觉时间会延长，但是在白天摇晃容器就没有这样的效果，说明缺觉的水螅会补偿性地延长下次睡眠的时间。 相反，没有神经系统的动物，如丝盘虫和海绵，就没有表现出睡眠行为。丝盘虫（Placozoa, Trichoplax）身体呈圆盘状，直径约1毫米，由两层细胞组成，能够在水底爬动，以细菌和藻类为食。丝盘虫有数种不同类型的细胞，但是没有神经细胞。丝盘虫在晚上移动和进食活动也不停止。海绵（Sponge，Amphimedon queenslandica）身体类似花瓶，壁上有许多小孔供水进入，再从上部的开口流出，内壁上的细胞则通过纤毛过滤的方式获得食物。海绵的身体也由两层细胞构成，有多种细胞类型，但是没有神经细胞，海绵也没有表现出睡眠行为。 ...