为什么睡眠不足会致死？一个直觉层面的问题

在哈佛医学院一间明亮、温暖的房间里，有一系列的管子，数百只果蝇熬夜到很晚。他们中的任何一个人都已经好几天没有睡觉了：持续不断的震动阻碍了他们的休息，尽管他们可能会紧紧抓住管子的盖子休息。不远处，在它们自己的管子里住着其他不眠的苍蝇，它们被寄托给永恒的白天的平静的坚持不懈所激活。他们大脑中某些神经元的基因调整使他们在有生之年一直保持清醒。

他们活不了多久。摇晃的果蝇和经过改造的果蝇都会迅速死亡--事实上，经过改造的果蝇的存活时间只有休息良好的果蝇的一半。在几天的失眠之后，苍蝇的数量大幅下降，然后崩溃。管子空了。灯火通明。

我们都知道我们需要睡眠才能达到最佳状态。但严重的睡眠不足会带来更严重、更直接的影响：完全被剥夺睡眠的动物会死亡。然而，科学家们发现奇怪的是，很难确切地说为什么睡眠不足是致命的。

睡眠最初被认为是一种神经现象，然而当被剥夺的生物死亡时，它们在神经系统以外的身体里却有一系列令人费解的不同故障。人类和实验动物睡眠不足，如果是慢性的，会造成健康问题，随着时间的推移，这些问题会浮出水面，如心脏病、高血压、肥胖症和糖尿病。但这些条件并不能杀死那些在几天或几周内100%睡眠被剥夺的生物。

睡眠的作用是什么使得不睡觉是致命的呢？回答这个问题能解释为什么我们首先需要睡眠吗？在哈佛医学院德拉加娜·罗古尔贾(Dragana Rogulja)实验室的孵化器的苍白灯光下，不眠之夜的苍蝇一直在她追寻答案的过程中生死不休。

今年冬天的一个寒冷的早晨，罗古尔贾俯身在她办公室的一块平板电脑上，她修剪得很短的黑色头发勾勒出一张精灵般的脸，快速浏览着数字，解释了她的一些结论。罗古尔贾是一名训练有素的发育神经学家，但她不相信睡眠剥夺的最根本影响始于大脑。“它可能来自任何地方，”她说，而它看起来可能不像大多数人所期待的那样。

她有发现支持这一直觉。今天发表在“细胞”杂志上的她和她的同事们提供了证据，证明当苍蝇死于失眠时，致命性的变化不是发生在大脑，而是发生在肠道。在显微照片中，苍蝇小肠的靛蓝迷宫亮起了炽热的紫红色，暴露了破坏DNA并导致细胞损伤的不祥的分子积聚。这些分子在睡眠剥夺开始后不久就出现了，在任何其他警告信号之前；如果允许苍蝇再次睡觉，玫瑰花就会消失。引人注目的是，如果给果蝇喂食中和这些分子的抗氧化剂，即使它们再也不睡觉也没关系。他们和休息的同胞一样长寿。

研究结果表明，睡眠的一项非常基本的工作--也许是在一系列其他效应的基础上--是调节古老的氧化生化过程，通过这个过程，单个电子在服务中的分子上来回跳动，从呼吸到新陈代谢，无所不包。研究人员暗示，睡眠不仅仅是神经科学的领域，而是更深层次地融入了将动物王国编织在一起的生物化学中。

第一次调查完全睡眠剥夺的研究对他们来说有一种疯狂的品质。1894年在罗马，俄罗斯生物化学家玛丽亚·米哈伊洛夫娜·马纳塞娜(Maria Mikhailovna Manaseina)在国际医学大会(International Congress Of Medicine)上发表了关于她在10只小狗身上进行的实验的报告。她和她的实验室助手让狗保持清醒，一天24小时不停地运动；大约五天内，所有的小狗都死了。她报告说，睡眠不足似乎比饥饿杀死小狗的速度要快得多：“对动物来说，完全缺乏睡眠比完全缺乏食物更致命。”

尸检显示，这些小狗的组织修复不良，特别是大脑，充斥着出血、血管受损和其他可怕的特征。玛纳塞娜总结道，睡眠不是一个无用的习惯。它对大脑健康有深远的影响。

随之而来的是更多的全天候遛狗。1898年，意大利研究人员兰贝托·达迪(Lamberto Daddi)发表了被剥夺睡眠的狗的大脑的详细图纸；他报告了大脑明显的退行性损伤，类似于在面临其他压力的狗身上看到的情况。大约在同一时间，精神病学家塞萨尔·阿戈斯蒂尼(Cesar Agostini)将狗关在装有铃铛的笼子里，每当它们试图躺下睡觉时，铃铛就会发出可怕的叮当声。20世纪20年代，日本的研究人员在笼子里钉满了钉子，做了类似的事情。

这些研究，除了他们一贯的残酷性外，还有一个类似的弱点：他们没有有效的控制措施。狗已经死了，它们的组织看起来不正常-但这真的是因为它们没有睡觉吗？或者是因为不间断的散步和刺激本身就有压力？将失眠的影响与保持双脚站立直到它杀死你似乎是不可能的。

科学家们花了几十年的时间才认真地回到这个问题上。20世纪80年代，芝加哥大学(University Of Chicago)的睡眠研究人员艾伦·雷赫斯查芬(Allan Rechtschaffen)因其在发作性睡病方面的开创性工作而备受赞誉，他开始设计实验，以区分过度刺激和失眠的影响。他设计了一个悬挂在水面上的转盘形状的鼠笼。中间有一个隔板，这样动物就可以住在两边，而它们下面的转盘地板可以自由旋转。实验人员将成对的老鼠放入装置中，其中一只注定不能入睡。每当那只老鼠试图休息时，科学家们就会旋转桌子，把两只老鼠都撞到水里。

这一设置确保了尽管两只大鼠同样频繁地落入水中，但每当大鼠否认睡眠活跃时，对照组的大鼠仍然可以眨眼。事实上，对照组大鼠的睡眠时间大约是它们正常睡眠的70%，只遭受了轻微的睡眠剥夺。不幸的实验大鼠睡眠不足9%，几乎全部失眠。

两组大鼠受到的干扰次数相同。两人都承受着落水的压力，不得不爬出来，浑身湿透。但只有严重睡眠不足的老鼠才开始下降。他们的皮毛变得粗糙而凌乱，从白色变成了肮脏的黄色。他们的皮肤上出现了损伤。他们的体重减轻了。平均15天后，他们就死了。雷赫斯查芬发现了一种方法来证明睡眠不足本身确实会致死。

对于进行这些实验的研究生来说，日子很长。加州大学欧文分校(University of California，Irvine)精神病学教授露丝·本卡(Ruth Benca)说，“实验室在一栋公寓楼里，所以你的卧室应该紧挨着动物试验室。”她与雷特斯查芬共事多年。“他们的卧室紧挨着他们的动物被剥夺的房间，这样他们就可以全天候监控。”

这项工作在其他方面也很有挑战性。“从心理学上讲，要让一只动物经历这一切，这是非常非常艰难的实验，”保罗·肖(Paul Shaw)说。他后来是雷赫斯查芬的研究生之一，现在是圣路易斯华盛顿大学的神经科学教授。“在实验的最后七天里，你的头顶上都笼罩着这片乌云。”当他的老鼠离死亡只有一两天时，实验方案要求他让它们睡觉，观察它们的脑电图(EEG)。肖回忆说，当监视器充满活力地爆炸，宣布动物们期待已久的睡眠时，他感觉到一个重量从他的肩膀上掉了下来。“直到今天我还能看到，”他在谈到脑电图读数时说。“我可以把它放在墙上的相框里，它可以让我每次都很开心。”

但这项工作也是激动人心的。“你必须相信结果，才能做到这一点。没有其他办法了，“肖说。在这些实验的先驱学生获得学位并离开后，他来到了实验室，但他仍然在会议上听到了他们的故事，他们在会上回忆了当时的兴奋之情。“没有人想拿到博士学位，”他回忆道，因为如果他们能留下来，“他们都认为明天，他们会发现睡眠的功能。”

雷赫斯查芬的实验成功应该最终让科学家们看到睡眠不足是如何致死的，这可能会让他们对睡眠如此不可或缺的原因有更深入的了解。但当研究人员对这些动物进行尸检时，他们的发现大多只是增加了混乱。在对照组和那些死于睡眠不足的老鼠之间几乎没有一致的区别，也没有迹象表明是什么杀死了它们。被剥夺的大鼠很瘦，肾上腺增大，但仅此而已。“没有发现解剖学上的死因，”研究人员总结道。

对动物行为的观察显示出一些更有趣的东西。威斯康星医学院医学和神经生物学教授卡罗尔·埃弗森(Carol Everson)是Rechtschaffen的研究生之一，他说：“在这些精心控制的条件下，动物(长期)睡眠不足会使它们的食物摄入量增加两到三倍，并减轻体重。”“我们做了各种各样的新陈代谢研究，试图找出是否有我们可以检测到的损伤。”

然而，在睡眠领域有一种强烈的感觉，即关于睡眠的最基本功能的答案将在大脑中找到。哈佛医学院著名睡眠研究员约翰·艾伦·霍布森(John Allan Hobson)刚刚在“自然”(Nature)杂志上发表了一篇论文，题目是“睡眠属于大脑，由大脑和大脑决定。”正如肖回忆的那样，“这抓住了整个睡眠社区的时代精神。”

事实上，今天睡眠研究的绝大多数仍然集中在大脑和认知障碍等主题上。睡眠不足确实会改变人类的新陈代谢--这与糖尿病和代谢综合征有关--但公共卫生研究人员往往是唯一关注这一问题的人。那些想要了解睡眠的根本目的的人很少从新陈代谢或其他化学过程中寻求答案。

参与调节睡眠的神经元是罗古尔贾研究的重点。但事实上，睡眠不足会损害循环、消化、免疫系统和新陈代谢，这让她好奇这些是神经问题的下游影响，还是它们是独立的。她说：“这看起来不可能都是关于大脑的。”

她知道Rechtschaffen实验-“真正的经典”-而且几乎没有后续行动。一旦确定完全睡眠不足会致死，那么利用剥夺来研究睡眠的目的就半途而废了。然而，在其间的几十年里，果蝇已经成为睡眠领域的主要模式生物，因为它们的遗传学被广泛了解，易于操作，而且在实验室饲养成本低廉。许多最先在苍蝇身上发现的睡眠发现已经在哺乳动物身上得到验证。随着苍蝇作为被证实的测试对象的兴起，当罗古尔贾对终末睡眠剥夺感到好奇时，这似乎再次成为一件看似合理的研究事情。

2016年，当博士后研究员亚历山德拉·瓦卡罗(Alexandra Vaccaro)来到罗古尔贾的实验室时，两人提出了一个计划。首先，他们从其他实验室获得了经过基因工程改造的果蝇，这些果蝇在某些神经元上具有温度敏感通道。在28摄氏度以上，通道打开并保持开放，使神经元保持激活，苍蝇保持清醒。在渠道关闭的情况下，苍蝇享受了正常的110天寿命。随着渠道的打开，他们只在10天左右的时间里就开始完全睡眠不足而死亡，而他们在20天内都死了。

当瓦卡罗进行测试时，有趣的模式出现了。如果她关闭通道，让苍蝇在第10天睡觉，它们就会恢复，并与对照组一样长寿。但如果她在5天或10天后再次剥夺他们的权利，他们就会死亡：他们在最初失眠期间积累的任何损害显然都还没有修复。在正常睡眠整整15天后，他们才能再次睡眠不足，而不会立即死亡。

当瓦卡罗在不同程度的剥夺下解剖果蝇时，它们的组织似乎都没有受到伤害，只有一个非常明显的例外：它们的肠道里有大量的活性氧物种(ROS)，这些分子中有一个氧原子承载着一个多余的电子。一些活性氧是在生物体的呼吸、新陈代谢和免疫防御的正常过程中产生的，有时是为了特定的功能，有时是作为副产品。但是，如果活性氧没有被抗氧化酶清除，它们就会变得极其危险，因为不平衡的氧气会从DNA、蛋白质和脂质中夺走电子。事实上，在果蝇睡眠被剥夺一周后，活性氧出现后，氧化损伤的标记物飙升--这是细胞处于危机的迹象。

ROS水平在剥夺的第10天达到峰值。当果蝇被允许开始正常睡眠时，它们的活性氧水平大约需要15天才能再次接近基线-这也是果蝇能够承受新的剥夺的时间。

Rogulja和Vaccaro在启动该项目的短短几个月内就没有预料到如此明确的结果。这很容易看出，这让他们立即产生了怀疑。当Rogulja在皮尤生物医学学者会议上展示初步数据时，他们的兴奋让她有点不安。“从来不是这样的，”她说，她更愿意对调查结果保持谨慎。

因此，在过去的三年里，瓦卡罗和罗古尔贾与博士后研究员优素福·卡普兰·多尔(Yosef Kaplan Dor)一直在努力在氧化和睡眠不足之间的这种明显联系上找出漏洞。他们用一种更传统的方法剥夺了苍蝇的睡眠--每隔两秒摇晃一次装有它们的管子--并检查活性氧水平是否与睡眠损失水平相关；他们确实是这样做的。研究小组观察了具有促进睡眠或清醒的突变的果蝇；睡眠不足的果蝇的肠道中含有活性氧。相反，在一种已知能耐受睡眠不足的突变果蝇的肠道中，没有出现活性氧。

该项目最奇怪、最令人兴奋的时期可能是研究人员决定，如果活性氧的氧化正在杀死果蝇，也许他们应该给果蝇服用抗氧化剂。这听起来像是一个滑稽的健康食品实验，但瓦卡罗找到了已知对苍蝇有效的抗氧化剂，然后把它们喂给昆虫。令研究人员惊讶的是，严重剥夺睡眠的果蝇达到了正常的果蝇寿命。当他们提高肠道中抗氧化酶的水平时，也发生了同样的事情(但很明显，当他们在神经系统中这样做时，情况并非如此)。

“我无法想象在科学中有更多的乐趣，”罗古尔贾在谈到那个夏天时说。“我们全家，还有整个实验室，早上都会聚在一起，一旦我们开始给他们这些抗氧化剂：‘他们还活着！’”他们不仅活着，而且看起来很不错。“

Vaccaro和实验室的技术人员Keishi Nambara，以及哈佛大学Michael Greenberg实验室的合作者，用老鼠进行了精简版的苍蝇实验。他们在一个装有旋转杆的笼子里让老鼠保持清醒长达五天，旋转杆轻轻地推动动物让它们移动。在动物的肠子里，ROS发出的闪耀光芒已经显露无遗。

对肖来说，团队的新论文非常有趣。“看到他们利用了遗传学的力量，这是非常令人兴奋的，”他说。“我们放弃了(机械地)剥夺苍蝇睡眠直到它们死去的整个项目，因为它们是漫长而艰难的实验，”而且很难控制压力。因为这项研究同时使用了遗传和机械方法剥夺睡眠，所以它回避了这个问题。“太棒了，太棒了。…。这给我留下了非常深刻的印象，“他说。“我认为它得到了很好的控制。”

这些发现到底意味着什么，仍然需要探索。他们认为，睡眠对身体的氧化调节至关重要，特别是在肠道，这可能会对身体产生广泛的影响。正如Rogulja和Vaccaro在他们的新论文中所写的那样：“通过单一手段预防死亡会争辩说，几乎所有主要身体功能的逐渐崩溃都源于共同的起源。”在他们研究的果蝇中，抗氧化剂是唯一的手段。

他们的发现与之前一系列将氧化和睡眠不足联系在一起的报告相吻合，特别是埃弗森的报告，他在雷赫斯查芬的实验室里对新陈代谢产生了兴趣。埃弗森很早就感觉到，虽然大脑是睡眠的调节器，但睡眠不仅仅是神经学的。在睡眠不足的老鼠身上，她观察到了免疫失败的迹象，以及本应是无菌的组织中的细菌。然后在2016年，她和她的同事报告说，他们在睡眠剥夺的大鼠的肝脏、肺和小肠中发现了氧化。埃弗森说，在睡眠剥夺后，经常会发现炎症的标志漂浮在组织中，但它们的来源一直不清楚。如果体内某处的氧化失控，由此产生的细胞损伤危机可能会导致这种促进作用。

艾弗森还发现，睡眠不足的老鼠的肠道开始渗漏，从而将细菌释放到动物的血液中。但从Rogulja和她的同事们看到的情况来看，这些苍蝇的内脏似乎并没有泄漏。在他们检查的任何其他组织中，ROS似乎也没有上升。尽管果蝇在睡眠不足时有时会吃得更多，但它们肠道中的活性氧水平无论如何看起来都是一样的。

目前还不清楚所有这些关于老鼠和苍蝇氧化的拼图是如何拼凑在一起的，伦敦帝国理工学院的睡眠研究员乔治·吉莱斯特罗(Giorgio Gilestro)指出，虽然这些实验清楚地表明ROS正在杀死苍蝇，但这并不一定意味着杀死老鼠的是同样的东西。对失眠的人进行的一项小规模研究显示，睡眠不足后，他们肠道微生物群落(生活在肠道中的细菌)的组成发生了变化，这是一个有趣的初步发现，得出了睡眠和肠道之间的另一个联系。

尽管如此，也许最紧迫的问题是，没有人知道RO从哪里来，以及它们为什么会在肠道中积累。是什么过程--新陈代谢或其他--产生它们的呢？睡眠不足会导致活性氧产生过多吗？或者它干扰了一些通常会清除它们的过程？而且为什么ROS会和睡眠联系在一起呢？罗古尔贾正在计划进行实验，以探索这些问题的某些方面。

在这一切的背后，是睡眠对身体影响的惊人、令人费解的广度。事实上，学习、新陈代谢、记忆和无数其他功能和系统都会受到影响，这使得像活性氧的存在这样基本的变化变得非常有趣。但是，即使ROS是睡眠不足致命性的幕后黑手，也没有证据表明睡眠的认知效应，例如，来自相同的来源。而且，即使抗氧化剂可以防止果蝇过早死亡，它们也可能不会影响睡眠的其他功能，或者即使它们会影响睡眠，也可能是出于不同的原因。

从不睡觉的苍蝇和它们发光的内脏提醒我们，睡眠本质上是一种全身体验，而不仅仅是头脑和大脑的一种功能。在他们的死亡中，可能隐藏着一些关于为什么失眠会致命的答案，以及-潜在地，诱人的-睡眠是如何将全身不同的系统联系在一起的。肖就是其中之一，他很想看看罗古尔贾的实验室里接下来会发生什么。“这是一个非常重要的问题，”他说，“他们已经想出了解决这个问题的办法。