背景
生物都需要睡眠来调节自身的状态，即使似乎不睡觉的海豚，它们大脑的两个半球也会交替进入睡眠状态。睡眠具备很多特征，比如长时间的静止、对感觉刺激的反应性降低、保持特定的睡眠姿势、剥夺后的恢复性睡眠以及快速可逆性（将睡眠与冬眠或昏迷区分开来）等。睡眠有很多功能，在最基本的层面上，睡眠是许多生物细胞维持基本功能所必需的，包括对突触和免疫功能的调节。睡眠还影响细胞代谢和大脑与其控制的外周器官之间的通讯，以及复杂的认知任务，包括学习和记忆。在复杂的环境中有很多因素会影响睡眠，包括生物体的摄食状态（饥饿，饱腹，食物中的各种营养成分），各种各样的生存压力，以及环境的温度等。睡眠如此重要，但我们对睡眠调节的神经和分子基础以及动物的内外环境如何影响睡眠的理解仍然很不清楚。本次journal我们介绍了果蝇的睡眠与摄食、温度、记忆的关系。
睡眠与摄食的关系
果蝇的摄食状态对睡眠有一定影响。1. 进食后的果蝇，在进食后的20-40分钟时间段，运动量下降，睡眠量上升，随着进食量的增加，果蝇的睡眠量也随之增加。LK信号在进食后睡眠的变化中起调控作用，失活LK神经元会抑制进食后睡眠的变化。2. 饥饿也会对果蝇的睡眠产生影响。用喂食咖啡因和机械震动的方式剥夺果蝇睡眠过程中，睡眠减少，并且在睡眠恢复期间，睡眠会发生反弹，觉醒阈值增加，但是相比前两者，虽然长时间饥饿也会导致果蝇睡眠减少，但是在睡眠恢复期间，其觉醒阈值不会增加，睡眠也不会发生反弹。进一步研究表明饥饿诱导的睡眠剥夺，在剥夺期间，果蝇白天和夜晚的睡眠都会降低，并且在夜晚的觉醒阈值会增高。夜间唤醒阈值的增加与饥饿有关，因为当果蝇使用咖啡因喂养或机械振动剥夺睡眠时，夜间唤醒阈值没有增加。这些发现表明果蝇通过增加夜间睡眠深度来补偿饥饿引起的睡眠损失。在神经元层面，在果蝇饥饿期间，Dilp2神经元的激活增加了果蝇睡眠深度，并且防止睡眠的反弹。3. 研究发现，食物中的各种成分也可以影响睡眠。食物中含有高浓度糖分可以诱导果蝇睡眠次数的增加，但不会使睡眠量增加，在食物中添加蛋白质可以使饥饿果蝇觉醒阈值降低，说明动物在日常饮食过程中应适当补充这种营养成分。
睡眠与温度的关系
果蝇作为一种个体非常小的变温动物，极易受到环境温度的影响，为了保证自身的生存条件，果蝇具备有强大的温度感知能力。果蝇的温度感受器主要集中在触角第三节上，这些温度敏感的神经元主要通过表达TRP家族的受体蛋白来对冷热信息进行感知。其中专门负责感知冷刺激的有Clod Cell，Sacculus Cell，专门负责感知热的Hot Cell，以及果蝇大脑内部分布的Anterior Cells也可直接对热刺激进行感知。
果蝇面对不同的温度刺激，会做出非常复杂的行为变化，所以从外周感受器接收到的温度信息进而会传递至更高级的中枢脑区来处理并输出相应的行为变化。研究者利用特异性标记温度敏感的神经元后，发现冷敏感和热敏感神经细胞会分别投射到antennal lobe上不同区域的嗅小球上，说明嗅球脑区上特定的区域协调对不同温度刺激的行为反应。在特定的嗅球脑区中，热敏感和冷敏感细胞与下游投射神经元产生复杂的突触联系，进而投射神经元将会把温度信息传递至更高级的MB,LH,PLP脑区，从而把温度信息加工成相应的行为输出。
对于果蝇，季节性变化会导致温度显著性的改变，同时在24h中昼夜的节律也会发生变化，所以环境温度的改变是怎样影响机体的节律，从而更适应这种季节性变化的呢？其中一种机制主要是温度的变化会直接影响果蝇节律基因的选择性剪接，不同的剪接产物将调控果蝇的节律行为，从而适应环境的节律性变化。另一种机制发现，温度变化的信息通过外周感受器chordotonal organ和Arista传递至DN1ps脑区，由DN1ps脑区加工连续变化的温度信息从而对果蝇的节律产生调节。
另外温度的变化也会对果蝇的睡眠量产生影响。研究发现果蝇在应对寒冷天气时， TPN-IIs神经元在寒冷条件下通过释放GABA来抑制DN1a活性，导致早晨（ZT0-3）的睡眠的增加，减少了傍晚（ZT6-12）的睡眠，并且晚上的睡眠会提前来临，白天午睡时间提前到更早的时间点。而环境温度升高会导致夜间睡眠减少。ACs通过释放乙酰胆碱促使DN1ps释放 CNMa神经肽，通过CNMa受体抑制dh44阳性PI神经元，从而促进夜间觉醒。
睡眠与记忆的关系
睡眠对记忆产成的影响早在100年前就得到了康奈尔大学研究者的验证。后来关于睡眠和记忆研究陆陆续续地推进，并得到了比较确凿的结果：缺乏睡眠会直接影响记忆的生成和重现。而在40年前，研究者发现无脊椎动物也会表现出类似于睡眠的行为，于是很快人们就将记忆和睡眠的研究迁移到了果蝇身上。果蝇的睡眠和记忆一时间成为了较为热门的课题。
在2006年前后，众多研究证明了果蝇的学习记忆同样会受到睡眠缺乏的影响，且发现睡眠缺乏是通过经典的果蝇学习记忆的通路——蕈状体、多巴胺能神经元等——来影响记忆的。之后相关的研究继续推进。很快，Jeffery M. Donlea在2011 年的《Nature》的文章中验证了人工引发的睡眠可以反向地促进记忆的生成，学习记忆后的睡眠甚至可以使果蝇在一般状况下无法产生记忆的集中训练（Mess Training）和社交富集（Social Enrichment）后的训练中产生记忆。而在同年，Daniel Bushey于《science》中发表了“Sleep synaptic homeostasis： structural evidence in drosophila”。Daniel使用绿色荧光蛋白标记了果蝇的腹侧小神经元（Small ventral lateral neurons，LNvs）、蕈状体的伽马叶以及小叶板垂直系统（lobula plate vertical system，VS），经过成像发现上述各种神经元的突触数量以及长度会随着觉醒时间升高，且会随着睡眠而减少。于是得到结论：果蝇的睡眠调节了突触的平衡，此结论解释了大多有关睡眠和记忆的问题，并作为一个关键的结论维持至今。
总结
在研究果蝇睡眠的新基因工具和技术方法的稳步进展的推动下，这一领域得到快速发展。这些进展已经超越了对调节睡眠的基本生物机制的研究，阐明了睡眠的复杂功能以及依赖于环境背景和生活的睡眠变化。将现有的技术方法与测量睡眠深度和伴随不同睡眠类型的生理变化的新方法结合起来，有可能揭示科学家们100多年来一直无法理解的睡眠的基本功能。
本次journal club的 slides 见附件pdf：
by
李小龙