晝夜節律和睡眠穩態是共同進化而來的生物現象，前者控制人類何時入睡，后者控制每天要睡多久。在果蠅、小鼠和人類中，都能觀察到這兩種行為共同作用來控制動物的周期性睡眠。隨著近年來對各種模式生物的研究，科研人員對分別調控這兩種行為的分子和神經通路了解得很多。但在大多數生物中，對節律神經回路如何輸出到睡眠中心的連接機制依然未知。使得這成為睡眠領域的一個非常重要的問題。
近日浙江大學醫學院百人計劃郭方研究員，以果蠅為模式生物，鑒定出其腦中的背側晝夜節律神經元APDN1往睡眠穩態中心-橢球體EB-R2投射的神經回路，并將相關成果發表在知名期刊《神經元》(Neuron)上。研究揭示了該神經回路決定睡眠和覺醒水平的作用機制，為闡述晝夜節律回路和睡眠回路的連接機制提供了非常重要的實驗依據。
這項科研工作的第一作者為浙江大學醫學院神經生物系郭方研究員，郭方研究員和2017年諾貝爾生理學和醫學獎獲得者、美國布蘭迪斯大學邁克爾·羅斯巴殊(Michael Rosbash)教授為本論文的共同通訊作者。
尋找兩者的關系，前提是有兩個實驗基礎，一個是郭方和導師羅斯巴殊之前就有過明確的研究，果蠅的晝夜節律神經元APDN1是控制睡眠穩態的閥門，同時在2016年，約翰·霍普金斯大學的科學家們已經鑒定出果蠅中調控睡眠穩態的神經元是橢球體EB-R2。
因此研究的主線就落到APDN1與橢球體EB-R2的關系上。
實驗中，郭方及其同事們發現果蠅的APDN1神經元有兩簇投射，一簇向果蠅大腦前側，一簇向果蠅大腦后側。前期的研究中，科學家們關注的是向后的這一簇，它起著抑制果蠅的活動的作用，該研究發現了果蠅節律神經元控制睡眠的奧秘。
那么APDN1的前一簇往哪個腦區投射，生物學的功能是什么?
他們利用最新發明的神經回路技術——跨突觸顯示技術，追蹤投射神經元的走向。并通過膨脹顯微鏡(Expansion Microscopy)放大并透明化果蠅的大腦，發現這簇軸突往前投射到一個叫AOTU的腦區。鈣成像技術表明，它們支配著一群特殊的TuBu神經元，并通過其與更高腦區域的睡眠穩態中心-橢球體EB-R2偶聯。
最終郭方團隊在形態學上鑒定出果蠅的背側節律神經元APDN1往果蠅的睡眠穩態中心與橢球體EB-R2投射的神經回路。神經元APDN1作為一個“開關”調控著EB-R2，激活APDN會在EB-R2中誘導出類似人類睡眠時的特定振蕩模式。
已有的研究發現，當人類進入睡眠時會形成特定頻率振蕩的腦電波。那么，郭方通過鈣成像檢測到的果蠅調控睡眠腦區的高頻振蕩，會不會和高等動物的一樣，起著睡眠時降低對外界反應的作用?
在實驗中，郭方通過機械刺激偶聯光遺傳學實驗來證明自己的假設。當果蠅睡眠時，他每隔半個小時都給果蠅一個機械振動，果蠅都會產生受激反應，從睡眠中驚醒，呈現出規律性的高活動，然后再逐漸入睡。
第一個實驗，當只激活APDN1神經元時，大腦中振蕩波產生。果蠅在受到刺激后懶得動，醒來一下又迅速入睡。
第二個實驗，科研人員還通過光遺傳學的方式，激活DN1神經元，果蠅進入睡眠，再通過特定波長的綠光抑制EB-R2神經元中的振蕩波。通過觀察果蠅的行為發現，受到刺激時果蠅會迅速反應，顯著性地增加了高活動狀態，才重新進入睡眠。
通過這些實驗，郭方發現，果蠅EB-R2中產生的特定振蕩模式是一道“防火墻”，可以“屏蔽”外界信息的輸入，讓果蠅對外界刺激不敏感。“特定腦區的神經元產生某些頻率的共振，可能讓神經元鎖定在某種狀態，使外界信息無法輸入。”郭方說，“當通過人為打破‘防火墻’，果蠅無法進入深睡狀態。”
同時，郭方也告訴記者，目前尚待解決的科學問題是“防火墻”是如何導致外界信息無法傳入，這一神經回路傳遞信號的遞質是什么，具體內部機制有待進一步回答。
對這道睡眠“防火墻”的研究，還是一項起點性的工作。未來，可以通過藥物治愈失眠，讓輕度睡眠患者擁有更好的睡眠質量。科研人員也猜想，隨著對深度睡眠機制研究的深入，或許以后充足的睡眠不需要8個小時以上，通過調控深度睡眠，在更快時間內補充精力，睡眠2小時精神一整天也不無可能。“那時候，供人類自由支配的時間更長，不用在有限的覺醒，開啟‘倍速’人生。”
《神經元》匿名評審專家們對這一研究結果也評價道：“該論文提供了(果蠅)生物鐘和睡眠調節之間目前最全面的聯系，并為理解高度保守的睡眠和晝夜節律整合的神經機制提供了平臺。研究中應用了最先進的遺傳工具和實驗技術來繪制神經回路。”“這一研究將對該領域產生巨大影響。”
一位匿名專家指出，郭方團隊的研究使用多種先進的技術組合提供了令人信服的證據，證明了將晝夜節律神經元連接到睡眠中心的神經回路及其功能。那么他們是如何把這些技術更好地使用到實驗中呢?這就要提到郭方和他的同事們研發的“果蠅”盒子專利。
這個實驗盒，具有體積輕便，易于操作等優點，利用攝像頭持續記錄96只果蠅的行為，能高通量的篩選調控果蠅行為的基因和神經回路。
那么這個果蠅盒子是如何想到的呢?
這里先講一個“失眠的果蠅”故事。和羅斯巴殊教授同時獲得去年諾貝爾生理學和醫學獎的杰夫·霍爾(Jeff Hall)教授，上世紀70年代曾和同事在其導師西莫爾·本則爾(Seymour Benzer)教授的實驗室里，發現了一些“睡不好”的果蠅：其晝夜節律基因受到突變，很有個性的睡得早，醒得早。于是本則爾對這些果蠅產生了興趣，發明了儀器來監測其晝夜節律。
這個神奇的“果蠅”盒子，也是郭方在羅斯巴殊教授實驗室里，某一天晚上熬夜做實驗，靈機一動想到的。“最早的原型是2015年開始研制，現在已經量產。不僅可以作為果蠅的實驗平臺，還可以用于記錄蚊子、斑馬魚等小型動物的行為。”郭方說。
郭方說，隨著相關實驗的引入，他們在這個果蠅盒子里，裝上了625nm的紅色LED和550nm的綠色LED，能快速對神經元活性進行雙向調控。同時也裝上了電磁閥控制的睡眠剝奪裝置，能定量地對果蠅進行機械刺激，來檢測果蠅的覺醒閾值和睡眠深度。
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