为什么睡眠不足会导致死亡

长时间不睡觉会杀死动物，但科学家还不知道原因。最新发表的研究表明，答案在身体的一个意想不到的部位。

READ LATER 以后阅读

感觉累死吗?科学家们终于可以了解为什么睡眠过少不可避免地是致命的了。

Corey Brickley for Quanta Magazine《广达》杂志的科里·布里克利

在哈佛医学院一间明亮温暖的房间里，在一系列的试管里，数百只果蝇正在熬夜。他们已经有好几天没有睡过觉了:他们的房子不停地震动，无法休息，他们尽可能地粘在管子的瓶盖上喘息。在不远的地方，在它们自己的管道里，还住着其他的不眠之夜的苍蝇。他们大脑中某些神经元的基因微调使他们在活着的时候都保持清醒。

他们活不长。震动后的果蝇和经过基因改造的果蝇都很快死亡——事实上，经过基因改造的果蝇存活时间只有休息良好的对照组的一半。经过几天的失眠，苍蝇的数量下降，然后崩溃。管子都空了。灯光亮了起来。

我们都知道我们需要睡眠来保持最佳状态。但是严重的睡眠缺失有更严重和更直接的影响:动物完全被剥夺睡眠死亡。然而，科学家们发现，奇怪的是，很难确切地解释为什么睡眠不足是致命的。

睡眠主要被视为一种神经系统现象，然而，当缺乏睡眠的生物死亡时，他们在神经系统之外的身体会出现一系列令人困惑的故障。如果人类和实验动物长期睡眠不足，随着时间的推移会导致一些健康问题，如心脏病、高血压、肥胖和糖尿病。但是这些条件并不能杀死那些在几天或几周内完全缺乏睡眠的生物。

睡眠有什么作用，没有睡眠就会致命?回答这个问题能解释为什么我们需要睡眠吗?在哈佛医学院(Harvard Medical School)德拉加纳·罗古尔加(Dragana Rogulja)的实验室里，在孵化器的苍白光线下，“夜不能寐的苍蝇”一直在生存和死亡，她在追寻答案。

今年冬天一个寒冷的早晨，Rogulja在她的办公室里靠在平板电脑前，她的黑色短发衬托出一张精灵般的面孔，她用数字来解释她的一些结论。Rogulja是一名训练有素的神经学家和发育生物学家，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，而且它可能看起来不像大多数人期望的那样。

哈佛医学院(Harvard Medical School)神经生物学助理教授德拉加纳?罗古拉(Dragana Rogula)怀疑，睡眠剥夺的根本影响始于大脑外部。“它可能来自任何地方，”她说。

Anna Olivella安娜Olivella

她有一些发现来支持她的直觉。在今天的《细胞》杂志上，她和她的同事提供了证据，证明当苍蝇因失眠而死亡时，致命的变化不是发生在大脑中，而是在肠道中。显微照片显示，苍蝇小肠的靛蓝色迷宫中闪烁着炽热的紫红色，显示出一种不祥的分子聚集，破坏DNA，造成细胞损伤。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;如果再让苍蝇睡觉，玫瑰也会凋谢。值得注意的是，如果果蝇摄入了能够中和这些分子的抗氧化剂，那么即使它们再也不睡觉也没有关系。他们和那些休息着的兄弟们活得一样长。

这一结果表明，睡眠的一个非常基本的工作——也许是其他作用网络的基础——是调节古老的氧化生化过程，通过这个过程，单个电子被激活或关闭分子，为从呼吸到新陈代谢的一切活动服务。研究人员暗示，睡眠并不仅仅是神经科学的领域，而是更深入地与生物化学联系在一起的动物王国。

比饥饿更致命

第一批调查完全睡眠剥夺的研究有一种疯狂的性质。1894年，在罗马，俄罗斯生化学家玛丽亚·米哈伊洛夫娜·马娜西娜(Maria Mikhailovna Manaseina)在国际医学大会(International Congress of Medicine)上发表了关于她在10只小狗身上做实验的演讲。她和她的实验室助手让这些狗24小时不睡觉，不停地活动;五天之内，所有的幼犬都死了。睡眠不足比饥饿更容易导致幼犬死亡，她报告说:“对幼犬来说，完全缺乏睡眠比完全缺乏食物更致命。”

尸检显示，小狗的组织修复不良，尤其是大脑，到处都是出血、血管受损和其他可怕的特征。马纳西纳总结说，睡眠并不是一种无用的习惯。它对大脑健康有着深远的影响。

动物完全被剥夺睡眠就会死亡。然而，科学家们发现，奇怪的是，很难确切地解释为什么睡眠不足是致命的。

随之而来的是更多的整天整夜的遛狗。1898年，意大利研究员兰博托·达迪(Lamberto Daddi)发表了睡眠不足的狗的大脑的详细图;他报告说，狗的大脑出现了明显的退行性损伤，这与狗面对其他压力时的情况类似。大约在同一时期，精神病学家塞萨尔·阿戈斯蒂尼(Cesar Agostini)把狗关在装有铃铛的笼子里，每当它们想躺下睡觉时，铃铛就会发出可怕的响声。20世纪20年代，日本的研究人员用钉有钉子的笼子做了类似的事情。

这些研究除了一贯的残酷之外，还有一个相似的弱点:它们没有有效的控制。这些狗死了，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?还是因为不停的行走和刺激本身就是压力?要把失眠的后果和一直站着直到死都分开似乎是不可能的。

转盘笼子

科学家们花了几十年的时间才严肃地回到这个问题上。20世纪80年代，因在嗜睡症方面的开创性工作而闻名于世的芝加哥大学(University of Chicago)睡眠研究员艾伦·里奇沙芬(Allan Rechtschaffen)开始设计实验，将过度刺激和失眠的影响区分开来。他设计了一个悬吊在水上的转盘形状的鼠笼。中间有一个隔板，动物可以住在两边，而它们下面的唱机转盘可以自由旋转。实验人员把成对的老鼠放进这个装置，其中一只注定会被剥夺睡眠。每当这只老鼠想要休息时，科学家们就转动桌子，把两只老鼠推醒，有时还把它们推入水中。

这样的设置确保了尽管两只老鼠都同样频繁地掉进水里，但是当被拒绝睡眠的老鼠处于活动状态时，对照组的老鼠仍然可以打个盹儿。事实上，对照组的老鼠只睡了正常睡眠的70%，只受到了轻微的睡眠剥夺。更不幸的实验老鼠得到的睡眠少于9%，几乎是全部的睡眠损失。

两组老鼠被干扰的次数相同。两个人都承受着掉进水里，又不得不爬上来，浑身滴水的压力。但是只有严重缺乏睡眠的老鼠开始下降。它们的毛变得又粗又乱，从白色变成了肮脏的黄色。他们的皮肤上出现了病变。他们失去了重量。平均15天后，它们就会死亡。里奇沙芬发现了一种方法来证明睡眠不足本身确实会导致死亡。

对于进行这些实验的研究生来说，白天很长。“实验室在一栋公寓楼里，所以你的卧室就挨着动物实验室，”加州大学欧文分校(University of California, Irvine)的精神病学教授露丝·本卡(Ruth Benca)说，她与里奇沙芬合作了几年。“他们的卧室就在他们的宠物被剥夺权利的房间旁边，这样他们就可以24小时监控。”

研究结果表明，睡眠的一个非常基本的功能——可能是其他作用网络的基础——是调节远古的氧化生化过程。

这项工作在其他方面也很有挑战性。“让动物经历那样的痛苦，在心理上是非常非常艰难的实验，”里切沙芬后来的研究生保罗肖(Paul Shaw)说，他现在是圣路易斯华盛顿大学(Washington University in St. Louis)的神经科学教授。“在实验的最后7天里，你和头顶上的乌云一起工作。当他的老鼠离死亡只有一两天的时候，实验方案要求他让它们睡觉并观察它们的脑电图。肖回忆说，当监视器爆炸，宣告动物们期待已久的睡眠时，他感到肩膀上的重物落了下来。“直到今天我还能看到它，”他说，谈到脑电图读数。“我可以把它装在画框里挂在墙上，它每次都能让我开心。”

但工作也是令人兴奋的。“你必须相信这样做的结果。没有别的办法，”肖说。他是在那些率先进行这些实验的学生获得学位并离开之后才来到实验室的，但他仍然在会议上听到他们的故事，他们在那里追忆兴奋之情。“没人想拿到博士学位，”他回忆说，因为如果他们能留下来，“他们都认为明天就能发现睡眠的功能。”

混淆死因

里chtschaffen在实验上的成功本应让科学家们最终发现睡眠不足是如何致命的，这可能会对睡眠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，他们发现的大部分情况只是增加了困惑。在对照组的老鼠和那些死于睡眠不足的老鼠之间几乎没有一致的区别，也没有什么迹象表明是什么导致了它们的死亡。被剥夺的老鼠很瘦，肾上腺增大，但仅此而已。研究人员得出结论:“没有解剖上的死因。”

对动物行为的观察显示了一些更有趣的东西。“在这些精心控制的条件下，长期睡眠不足的动物会增加正常食量的两到三倍，从而减轻体重，”里奇沙芬的研究生之一、威斯康星医学院的医学和神经生物学教授卡罗尔埃弗森(Carol Everson)说。“我们做了各种各样的代谢研究，试图发现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，那就是关于睡眠最基本功能的答案将在大脑中找到。哈佛大学医学院(Harvard Medical School)著名的睡眠研究员约翰·艾伦·霍布森(John Allan Hobson)刚刚在《自然》(Nature)杂志上发表了一篇论文，题为《睡眠是大脑的，由大脑支配，又是为了大脑》。肖回忆说，“这抓住了整个睡眠研究领域的时代精神。”

事实上，如今绝大多数睡眠研究仍然集中在大脑和认知障碍等方面。睡眠不足确实会改变人体的新陈代谢——这与糖尿病和代谢综合症有关——但公共卫生研究人员往往是唯一关心睡眠不足的人。那些想要了解睡眠的根本目的的人很少在新陈代谢或其他化学过程中寻求答案。

活性氧

参与调节睡眠的神经元是Rogulja工作的重点。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，这些究竟是神经问题的下游影响，还是相互独立的影响。她说:“似乎不可能全是大脑的问题。”

她知道Rechtschaffen的实验——“真正的经典”——而且几乎没有后续研究。一旦完全睡眠不足致命这一观点被确立，用剥夺睡眠来研究睡眠的目的就被搁置了。然而，在随后的几十年里，果蝇已经成为睡眠领域的主要模式生物，因为它们的基因被广泛理解，易于操作，而且在实验室中保存它们的成本也不高。许多首先在果蝇身上发现的睡眠现象已经在哺乳动物身上得到证实。随着被证实为实验对象的果蝇数量的增加，当Rogulja开始对最终睡眠剥夺感到好奇时，这似乎再次成为了一个有可能进行研究的事情。

2016年，博士后研究员亚历山德拉·瓦卡罗(Alexandra Vaccaro)来到Rogulja的实验室时，两人想出了一个计划。首先，他们从其他实验室获得了经过基因改造的果蝇，使其在某些神经元中具有对温度敏感的通道。在28摄氏度以上，这些通道打开并保持打开状态，使神经元保持活跃，使果蝇保持清醒。由于通道关闭，果蝇的正常寿命为110天。随着通道的开通，他们开始在10天左右的时间内死于完全的睡眠剥夺，并且在20天内全部死亡。

广达杂志的5W信息图表

当Vaccaro进行测试时，有趣的模式出现了。如果她关闭通道，让果蝇在第10天睡觉，它们就会恢复，活得和对照组一样长。但如果她在5天或10天后再剥夺它们，它们就会死亡:无论它们在最初的失眠中产生什么损伤，显然都还没有修复。在再次被剥夺睡眠而不会立即死亡之前，他们需要正常睡眠15天。

当瓦卡罗解剖处于不同程度缺失状态的果蝇时，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:它们的内脏里充满了活性氧(ROS)，即带有一个多余电子的氧原子的分子。一些活性氧是生物体在正常的呼吸、代谢和免疫防御过程中产生的，有时用于特定功能，有时作为副产物。但如果活性氧没有被抗氧化酶清除，它们就会变得极其危险，因为不平衡的氧会将电子从DNA、蛋白质和脂类中剥离。事实上，在果蝇被剥夺睡眠一周后，ROS出现了，氧化损伤的标记物飙升，这是细胞处于危机的标志。

ROS水平在被剥夺的第10天达到高峰。当果蝇开始正常睡眠后，它们的ROS水平需要大约15天才能再次接近基线——这与果蝇能够承受重新剥夺的时间相同。

Rogulja和Vaccaro没有预料到在项目开始的短短几个月内就会有如此明确的结果。很容易看出，这使他们立刻产生了怀疑。当Rogulja在一次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紧张。“从来都不是这样的，”她说，更倾向于对研究结果保持谨慎。

亚历山德拉·瓦卡罗(Alexandra Vaccaro)是Rogulja实验室的博士后研究员，他发现果蝇可以从严重的睡眠剥夺中恢复过来，拥有正常的寿命，但在一段时间内，它们仍然非常容易遭受进一步的睡眠缺失。

Courtesy of Alex Vaccaro感谢亚历克斯·瓦卡罗

因此，在过去的三年里，瓦卡罗和罗古尔加，以及博士后研究员约瑟夫·卡普兰·多尔，一直在研究氧化和睡眠缺失之间的明显联系。他们用一种更传统的方法剥夺了果蝇的睡眠时间——每两秒钟摇动装有果蝇的试管——并检查ROS水平是否与睡眠缺失水平相关;他们所做的。研究小组观察了具有促进睡眠或清醒的基因突变的果蝇;被剥夺睡眠的果蝇体内有活性氧。相反，一种可以忍受睡眠不足的变异果蝇的肠道中没有出现ROS。

这个项目中最奇怪、最激动人心的时期可能是当研究人员决定如果ROS的氧化作用杀死了果蝇，也许他们应该给果蝇提供抗氧化剂。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，这些被剥夺了致命睡眠的果蝇的寿命达到了正常水平。当他们提高肠道内的抗氧化酶水平时，同样的情况也会发生(但很明显，当他们提高神经系统的抗氧化酶水平时，情况并非如此)。

“我无法想象在科学中会有更多的乐趣，”Rogulja说到那个夏天。“我的整个家庭，还有整个实验室，一旦我们开始给他们服用这些抗氧化剂，我们就会在早上聚在一起:‘他们还活着!’他们不仅活着，而且看起来很好。”

瓦卡罗和实验室的技术人员Keishi Nambara，以及哈佛大学迈克尔·格林伯格实验室的合作者们，在老鼠身上进行了一个简化版的苍蝇实验。他们把老鼠关在一个装有旋转杆的笼子里，让它们连续5天不睡觉，旋转杆可以轻轻地推动老鼠移动。在动物的内脏中出现了ROS的荧光。

A Gut-Level Problem

一个本能的问题

对于肖来说，这个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。“我们放弃了整个剥夺睡眠的果蝇(机械地)直到它们死去的计划，因为他们需要做漫长而艰难的实验，”而且压力很难控制。由于这项研究同时使用了睡眠剥夺的基因和机械手段，所以它回避了这个问题。“这太棒了,太棒了。我印象非常深刻，”他说。“我觉得控制得很好。”

这些发现的意义还有待探索。他们认为，睡眠对身体的氧化调节至关重要，尤其是在肠道内，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:“用单一手段预防死亡可以证明，几乎所有主要身体机能的逐渐衰竭都源于一个共同的原因。”在他们研究的果蝇中，抗氧化剂是唯一的手段。

广达杂志的5W信息图表

他们的研究结果相吻合的流之前的报道,氧化和睡眠不足有关,尤其是艾弗森,他感兴趣的新陈代谢在Rechtschaffen早期的实验室,艾弗森感到,尽管睡眠的大脑是一个监管机构,有更多的睡眠比神经学。在睡眠不足的老鼠身上，她观察到了免疫系统失效的迹象，以及组织中本该无菌的细菌。2016年，她和同事报告称，他们在睡眠不足的老鼠的肝脏、肺和小肠中发现了氧化现象。艾弗森说，在睡眠不足后，炎症标志物经常在组织中漂浮，但其来源一直不清楚。如果氧化在身体的某个地方失去控制，由此产生的细胞损伤危机可能会导致这种刺激。

艾弗森还发现，睡眠不足的老鼠的肠道开始漏水，将细菌释放到它们的血液中。但从Rogulja和她的同事们的观察来看，苍蝇的内脏似乎并没有泄露。在他们检查的其他组织中，ROS似乎也没有升高。尽管果蝇在睡眠不足时有时会吃得更多，但无论如何，它们肠道内的ROS水平看起来都是一样的。

目前还不清楚这些拼图对老鼠和果蝇可能组合在一起,氧化和乔治•Gilestro睡眠伦敦帝国理工学院的研究员指出,尽管这些实验表明活性氧杀死苍蝇,这并不意味着同样的事情杀死了老鼠。一项针对睡眠不足的人的小型研究表明，他们肠道微生物群的组成，也就是生活在肠道中的细菌，在睡眠不足后发生了变化，这是一个有趣的初步发现，揭示了睡眠和肠道之间的另一种联系。

然而，也许最紧迫的问题是，没有人知道ROS从哪里来，为什么它们在肠道积聚。是什么过程——代谢或其他过程——产生了它们?睡眠不足是否会导致ROS过度产生?或者它干扰了正常情况下清除它们的过程?为什么ROS与睡眠有关呢?Rogulja正在计划实验来探究这些问题的某些方面。