为什么人类一生中有三分之一的时间在睡觉?动物为什么要睡觉?在整个进化过程中，睡眠对所有有神经系统的生物来说都是普遍的、必不可少的，包括苍蝇、蠕虫甚至水母等无脊椎动物。为什么动物不顾捕食者的持续威胁而睡觉，睡眠如何有益于大脑和单细胞仍然是一个谜。

　　在《分子细胞》(Molecular Cell)杂志上发表的一项新研究中，以色列巴伊兰大学(Bar-Ilan University)的研究人员发现了斑马鱼的睡眠机制，并在小鼠身上找到了一些支持证据，朝着解开这个谜团又迈进了一步。

　　这项研究由巴伊兰大学古德曼生命科学学院和贡达(戈德施米德)多学科大脑研究中心的Lior Appelbaum教授和博士后研究员David Zada博士领导。

　　当我们醒着的时候，体内会产生稳态睡眠压力(疲劳)。我们保持清醒的时间越长，这种压力就会增加，在睡眠中会减少，在睡个好觉后达到最低水平。

　　是什么导致体内平衡压力增加到我们觉得必须睡觉的程度，晚上又发生了什么使这种压力降低到我们准备开始新的一天的程度?在醒着的时候，DNA损伤在神经元中积累。这种损伤可由多种因素引起，包括紫外线、神经元活动、辐射、氧化应激和酶错误。在睡眠和醒着的时候，每个细胞内的修复系统都会纠正DNA断裂。然而，神经元中的DNA损伤在清醒期间继续积累，大脑中过度的DNA损伤可能达到危险的水平，必须减少。研究表明，睡眠中的DNA修复系统可以促进有效的修复，从而让新的一天重新开始。

　　在一系列实验中，研究人员试图确定DNA损伤的累积是否可能是触发体内平衡压力和随后的睡眠状态的“驱动因素”。他们利用辐射、药理学和光遗传学，诱导斑马鱼的DNA损伤，以研究它是如何影响它们的睡眠的。斑马鱼具有绝对的透明度、夜间睡眠和与人类相似的简单大脑，是研究这种现象的完美生物体。

　　随着DNA损伤的增加，对睡眠的需求也增加了。实验表明，在某一点上，DNA损伤的积累达到了最大阈值，并且增加了睡眠(体内平衡)压力，以至于触发了睡眠的冲动，鱼就睡着了。随后的睡眠促进了DNA修复，从而减少了DNA损伤。

　　没有什么比睡个好觉更好的了。在验证了累积的DNA损伤是驱动睡眠过程的力量之后，研究人员渴望了解是否有可能确定斑马鱼需要睡眠的最短时间，以减少睡眠压力和DNA损伤。由于斑马鱼和人类一样，对光线的干扰很敏感，因此夜间的黑暗期逐渐减少。在测量了DNA损伤和睡眠后，研究人员确定每晚6小时的睡眠足以减少DNA损伤。令人惊讶的是，在不到6小时的睡眠后，DNA损伤并没有充分减少，斑马鱼即使在白天也会继续睡觉。

　　大脑中是什么机制告诉我们需要睡眠来促进有效的DNA修复?PARP1蛋白是DNA损伤修复系统的一部分，是第一个快速反应的蛋白之一。PARP1标记细胞中的DNA损伤位点，并招募所有相关系统清除DNA损伤。与DNA损伤程度一致，PARP1在DNA断裂位点的聚类在清醒时增加，在睡眠时减少。通过基因和药理学操作，PARP1的过表达和敲低表明，增加PARP1不仅促进睡眠，而且增加睡眠依赖性修复。相反，PARP1的抑制阻断了DNA损伤修复的信号。结果，鱼没有完全意识到它们累了，没有睡觉，也没有发生DNA损伤修复。

　　为了加强在斑马鱼上的发现，与特拉维夫大学的Yuval Nir教授合作，利用脑电图在小鼠身上进一步测试了PARP1在调节睡眠中的作用。就像斑马鱼一样，PARP1活性的抑制减少了非快速眼动(NREM)睡眠的持续时间和质量。

　　在之前的一项研究中，阿佩尔鲍姆教授和他的团队使用3D延时成像技术来确定睡眠会增加染色体动力学。在这个谜题中，PARP1增加了睡眠和染色体动力学，从而促进了清醒时积累的DNA损伤的有效修复。在醒着的时候，神经元的DNA维护过程可能不够有效，因此需要一个离线睡眠时期，减少对大脑的输入才能发生。

　　这些最新的发现提供了对单细胞水平上解释睡眠的“事件链”的详细描述。这一机制可以解释睡眠障碍、衰老和神经退行性疾病(如帕金森病和阿尔茨海默病)之间的联系。阿佩尔鲍姆教授认为，未来的研究将有助于将这种睡眠功能应用于其他动物，从低等无脊椎动物到最终的人类。