하버드 의과 대학의 밝고 따뜻한 공간에있는 일련의 튜브 내부에서 수백 개의 과일 파리가 늦게 머물고 있습니다. 그들 중 누구라도 잠을 자고있는 지 며칠이 지났습니다. 집을 흔들어주는 끊임없는 진동은 휴식을 취약하고 휴식을 취하기 위해 튜브의 모자에 달라 붙습니다. 자신의 튜브에서 멀지 않은 것은 다른 잠들지 않는 파리를 산다. 뇌의 특정 뉴런에 대한 유전 적 조정은 그들이 살고있는 한 깨어 있습니다.
그들은 오래 살지 않습니다. 흔들리는 파리와 엔지니어링 된 파리는 둘 다 신속하게 죽습니다. 사실, 엔지니어링 된 것들은 잘 정리 된 컨트롤보다 절반 만 살아 남았습니다. 며칠이 지나면 파리의 숫자가 넘어져서 충돌합니다. 튜브는 비어 있습니다. 조명이 켜집니다.
우리는 모두 최선을 다하기 위해 잠을 자야한다는 것을 알고 있습니다. 그러나 심오한 수면 손실은 더 심각하고 즉각적인 영향을 미칩니다. 수면이 완전히 사라지는 동물. 그러나 과학자들은 왜 수면 손실이 치명적인 지 정확히 말하기가 어렵다는 것을 알았습니다.
수면은 주로 신경 학적 현상으로 여겨지지만, 박탈 된 생물이 죽을 때, 그들은 신경계 외부의 신체에 수수께끼가 다양한 실패를 가지고 있습니다. 인간과 실험실 동물의 수면이 충분하지 않은 경우 만성 인 경우 심장병, 고혈압, 비만 및 당뇨병과 같이 시간이 지남에 따라 표면적으로 건강 문제를 일으 킵니다. 그러나 이러한 조건은 며칠 또는 몇 주 안에 100% 수면을 박탈당하는 생물을 죽이는 것이 아닙니다.
수면은 무엇을합니까? 그 질문에 대답하면 왜 우리가 처음에 수면이 필요한지 설명 할 수 있습니까? 하버드 의과 대학의 Dragana Rogulja의 실험실에있는 인큐베이터의 창백한 빛 아래에서 잠들지 않는 파리는 대답을 추구하면서 살고 죽어 가고 있습니다.
이번 겨울 추운 아침에 로글 하 (Rogulja)는 사무실에서 태블릿을 기대었고, 그녀의 가까이있는 검은 머리카락은 엘핀 강도의 얼굴을 틀었고, 그녀의 결론에 대해 설명하기 위해 인물을 튕 겼습니다. Rogulja는 훈련을 통해 신경 과학자이자 발달 생물 학자이지만, 수면 박탈의 가장 근본적인 효과가 뇌에서 시작된다고 확신하지는 않습니다. 그녀는“어디서나 올 수 있으며 대부분의 사람들이 기대하는 것 같지 않을 수도 있습니다.
그녀는 그 직감을 뒷받침 할 발견이 있습니다. 오늘 저널 Cell 에 출판 , 그녀와 그녀의 동료들은 파리가 잠들지 않을 때 치명적인 변화가 뇌가 아니라 장에서 발생한다는 증거를 제시합니다. 파리의 작은 내장의 인디고 미로는 현미경 사진에서 불 같은 자홍색으로 밝혀져 DNA를 파괴하고 세포 손상을 일으키는 분자의 불길한 축적을 배신합니다. 분자는 다른 경고 신호 앞에 수면 부족이 시작된 직후에 나타납니다. 파리가 다시 잠을 자면 장미 빛의 꽃이 사라집니다. 놀랍게도, 파리가 이러한 분자를 중화시키는 산화 방지제를 먹이면 다시는 잠을 자지 않더라도 중요하지 않습니다. 그들은 휴식을 취한 형제만큼 오래 산다.
결과는 아마도 다른 효과의 네트워크의 근본이되는 매우 근본적인 수면 작업 중 하나는 고대 생화학 적 산화 과정을 조절하는 것이며, 개별 전자는 호흡에서 신진 대사에 이르기까지 모든 분자를 켜고 끄는 분자를 차지하는 것입니다. 수면은 신경 과학의 지방이 아니라 동물의 왕국을 함께 묶는 생화학에 더 깊이 튀어 나온 것입니다.
기아보다 더 치명적
총 수면 부족을 조사하는 첫 번째 연구는 그들에게 미치광이의 질을 가졌다. 1894 년 로마에서 러시아 생화학자인 마리아 미하일 로프 나 마네아나 (Maria Mikhailovna Manaseina)는 국제 의학 의학에서 10 명의 강아지 실험에 대해 발표했다. 그녀와 그녀의 실험실 조수는 개를 깨우고 하루 24 시간 끊임없는 움직임을 유지했습니다. 약 5 일 안에 모든 강아지가 죽었습니다. 수면 부족은 굶주림보다 강아지를 훨씬 빨리 죽이는 것처럼 보였습니다.“수면의 총 부재는 음식의 총 부재보다 동물에게 더 치명적입니다.”
.부검에 따르면 강아지의 조직은 특히 뇌에서 출혈, 손상된 혈관 및 기타 소름 끼치는 특징으로 가득 찬 뇌에서 수리가 좋지 않은 것으로 나타났습니다. Manaseina는 수면은 쓸모없는 습관이 아니라고 결론 지었다. 그것은 뇌 건강에 심오한 일을합니다.
하루 종일 더 많은 밤새 도보가 뒤따 랐습니다. 1898 년 이탈리아 연구원 인 Lamberto Daddi는 수면이 부족한 개들의 두뇌에 대한 자세한 그림을 발표했습니다. 그는 다른 스트레스 요인에 직면 한 개와 비슷한 뇌의 퇴행성 손상을보고했다. 같은시기에, 정신과 의사 인 Cesar Agostini는 개를 눕히고 잠을 자려고 할 때마다 끔찍하게 삐걱 거리는 종으로 조작 된 새장에 개를 두었고, 1920 년대 일본의 연구자들은 손톱으로 장식 된 케이지와 비슷한 일을했습니다.
.연구는 일관된 잔인 함을 제외하고는 비슷한 약점을 가졌다. 그들은 유효한 통제가 없었다. 개들은 죽었고 그들의 조직은 비정상적으로 보였지만 실제로는 잠을 자지 않았기 때문입니까? 아니면 논스톱 걷기와 자극이 본질적으로 스트레스가 많기 때문에? 잠들기의 영향을 죽일 때까지 발에 유지되는 것을 분리하면 불가능 해 보였습니다.
턴테이블 케이지
과학자들이 질문으로 진지하게 돌아 오는 데 수십 년이 걸렸습니다. 1980 년대에 시카고 대학교의 수면 연구원 인 Allan Rehtschaffen은 기면증에 대한 선구적인 작업을 축하했으며 과잉 자극의 영향을 잠들기의 영향과 분리 할 수있는 실험을 설계하기 시작했습니다. 그는 물 위에 매달린 턴테이블 형태의 쥐 케이지를 고안했다. 분배기가 가운데로 내려갔습니다. 그래서 동물은 양쪽에 살 수 있고 그 아래의 턴테이블 바닥은 자유롭게 회전했습니다. 장치에 실험자들은 쥐 한 쌍을 넣었고 그 중 하나는 수면이 거부 될 예정입니다. 그 쥐가 쉬려고 할 때마다 과학자들은 테이블을 회전시켜 두 쥐를 깨우고 때로는 물에 밀어 넣습니다.
이 설정은 두 쥐가 물에 똑같이 자주 떨어졌지만 쥐가 수면이 활성화되었을 때마다 대조군 래트가 여전히 약간의 윙크를 잡을 수 있음을 보장했습니다. 실제로, 대조군 래트는 평소와 같이 약 70% 정도 잠을 잘 수 있었으며 가벼운 수면 부족 만 고통 받았다. 운이 좋은 실험 쥐는 9%미만, 거의 총 수면 손실을 얻었습니다.
두 쥐 세트는 같은 횟수로 방해 받았다. 둘 다 물에 빠지고 물러서서 물러나야한다는 스트레스를 겪었다. 그러나 심하게 수면이 가해진 쥐만이 감소하기 시작했습니다. 그들의 모피는 거칠고 흐트러져 흰색에서 맨이 큰 노란색으로 갔다. 그들은 피부에 병변이 발생했습니다. 그들은 체중이 줄었습니다. 평균 15 일 후에 그들은 죽었다. Rechtschaffen은 수면 손실 자체가 실제로 죽었다는 것을 보여주는 방법을 발견했습니다.
이 실험을 운영하는 대학원생들에게는 날이 길었습니다. "실험실은 아파트 건물에 있었기 때문에 동물 테스트 실 옆에 침실이있을 것입니다." "그들은 동물들이 박탈당한 방 옆에 침실이 있었기 때문에 24 시간 내내 모니터링 할 수있었습니다."
.이 작업은 다른 방식으로도 어려웠습니다. Rechtschaffen의 나중에 대학원생 중 한 명인 Paul Shaw는“그들은 심리적으로 동물을두기 위해 힘들고 힘든 실험이었다”고 말했다. "실험의 마지막 7 일 동안, 당신은이 구름으로 머리 위로 작업하고 있습니다." 그의 쥐가 사망 한 날로부터 하루나 이틀 밖에되지 않았을 때, 실험 프로토콜은 그에게 잠을 자고 전기 폴로 그램 또는 뇌파를 관찰하도록 요구했다. Shaw는 모니터가 생명으로 폭발하면서 동물의 대망의 파자마를 알리는 동물의 체중이 어깨에서 떨어지는 것을 느꼈다고 회상합니다. "오늘날까지 나는 그것을 볼 수있다"고 그는 EEG 판독에 대해 말했다. "나는 그것을 내 벽에 프레임에 넣을 수 있었고, 매번 나를 행복하게 할 수 있습니다."
.그러나 그 일도 스릴있었습니다. “결과를 믿어야합니다. 다른 방법은 없습니다.”Shaw가 말했습니다. 그는이 실험을 개척 한 학생들이 학위를 받고 떠난 후 실험실에 도착했지만 여전히 회의에서 이야기를 들었습니다. "아무도 박사 학위를 받고 싶지 않았습니다."라고 그는 회상했다. "그들은 모두 내일 수면 기능을 발견 할 것이라고 생각했다."
.사망의 혼란스러운 원인
Rechtschaffen의 실험적 성공은 과학자들이 수면이 충분하지 않은 수면이 얼마나 불충분한지 알 수 있어야했으며, 이로 인해 수면을 불가피하게 만드는 것에 대한 더 큰 통찰력을 얻었을 수도 있습니다. 그러나 연구원들이 동물에 대한 부검을 수행했을 때, 그들이 발견 한 것은 대부분 혼란에 추가되었습니다. 대조군 쥐와 수면 부족으로 사망 한 쥐 사이에는 일관된 차이가 거의 없었으며, 그들을 죽인 것에 대한 징후는 없었습니다. 박탈 된 쥐는 얇고 부신을 확대했지만 그게 그 정도였습니다. 연구원들은“해부학 적 사망 원인은 확인되지 않았다”고 결론을 내렸다.
동물의 행동에 대한 관찰은 더 흥미로운 것을 보여주었습니다. Rechtschaffen의 대학원생 중 한 사람인 위스콘신 의과 대학의 의학 및 신경 생물학 교수 인 캐롤 에버 슨 (Carol Everson)은“이러한 신중하게 통제 된 조건에서 수면이 급증한 동물은 음식 섭취량을 2 ~ 3 배, 체중 감량을 겪게 될 것입니다. "우리는 우리가 감지 할 수있는 장애가 있는지 알아 내기 위해 모든 종류의 대사 연구를 수행했습니다."
그러나 수면 분야에는 강한 느낌이 있었지만 수면의 가장 기본적인 기능에 대한 답변은 뇌에서 발견 될 것입니다. 저명한 하버드 의과 대학 수면 연구원 인 존 앨런 홉슨 (John Allan Hobson)은 방금 자연에 종이를 발표했습니다. "수면은 뇌의 뇌, 뇌와 뇌를 위해"라는 제목으로. Shaw가 회상했듯이,“이것은 전체 수면 공동체의 Zeitgeist를 사로 잡았습니다.”
.실제로, 오늘날 수면 연구의 광대 한 우세는 여전히 뇌와인지 장애와 같은 주제에 중점을 둡니다. 수면 손실은 인간의 신진 대사를 변경합니다. 당뇨병 및 대사 증후군과 관련이 있지만 공중 보건 연구원은 종종 자신을 염려하는 유일한 사람입니다. 수면의 기본 목적을 이해하려는 사람들은 신진 대사 나 다른 화학 과정에서 답을 거의 찾지 않습니다.
반응성 산소 종
수면을 조절하는 데 관련된 뉴런은 Rogulja의 작업의 초점입니다. 그러나 수면 손실이 순환, 소화, 면역 체계 및 신진 대사를 손상 시킨다는 사실은 이것이 신경 학적 문제의 다운 스트림 효과인지 또는 독립적인지에 대해 궁금하게 만들었습니다. 그녀는“뇌에 관한 모든 것이 될 수는없는 것 같다”고 말했다.
그녀는 Rechtschaffen 실험 (“실제 고전”)에 대해 알고 있었으며 후속 조치가 거의 없다는 것을 알고있었습니다. 일단 수면 손실이 사망 한 후 수면의 목적을 연구하기 위해 박탈을 사용하여 길가에 의해 떨어졌습니다. 그러나 수십 년 동안 과일 파리는 수면 분야의 주요 모델 유기체가되었습니다. 왜냐하면 유전학은 널리 이해되고 조작하기 쉽고 실험실에 보관하기가 저렴하기 때문입니다. 파리에서 처음으로 만든 많은 수면 발견은 포유류에서 검증되었습니다. Rogulja가 말기 수면 박탈에 대해 궁금해 졌을 때 파리가 입증 된 시험 대상으로 부상함에 따라 다시 공부할 수있는 그럴듯한 것처럼 보였습니다.
박사후 연구원 인 Alexandra Vaccaro가 2016 년 Rogulja의 실험실에 도착했을 때 두 사람은 계획을 세웠습니다. 먼저, 다른 실험실에서 그들은 특정 뉴런에서 온도에 민감한 채널을 갖도록 유전자 조작 된 파리를 얻었습니다. 섭씨 28도 이상으로 수로가 열리고 열려있어 뉴런을 활성화하고 파리가 깨어났습니다. 채널이 닫히면 파리는 정상적인 110 일의 삶을 즐겼습니다. 채널이 열리면서 10 일 만에 총 수면 부족으로 사망하기 시작했고 20 일 안에 모두 죽었습니다.
Vaccaro가 테스트를 수행함에 따라 흥미로운 패턴이 나타났습니다. 그녀가 채널을 닫고 10 일째에 파리가 잠을 자면, 그들은 통제하는 한 회복하고 살았습니다. 그러나 그녀가 5 일 또는 10 일 후에 다시 박탈했다면, 그들은 죽었다. 초기 잠들기 동안 발생한 피해는 아직 수리되지 않았다. 그들이 즉시 죽지 않고 다시 잠을 자지 않기까지 정상적으로 15 일 동안 잠을자는 것이 걸렸습니다.
Vaccaro가 다양한 수준의 박탈에서 날아갈 때, 그들의 조직은 모두 무모한 것처럼 보였고, 한 가지 예외가없는 것처럼 보였습니다. 그들의 장은 반응성 산소 종 (ROS)으로 두껍고 여분의 전자를 가진 산소 원자를 가진 분자였습니다. 일부 ROS는 정상적인 유기체의 호흡, 신진 대사 및 면역 학적 방어 과정에서 생성되며 때로는 특정 기능 및 때로는 부산물로 생성됩니다. 그러나 ROS가 항산화 효소에 의해 휩쓸지 않으면 불균형 된 산소가 전자를 DNA, 단백질 및 지질로부터 멀리 떨어 뜨리기 때문에 매우 위험 해집니다. 실제로 ROS가 일주일 동안 파리의 수면 부족으로 나타난 후, 산화 손상의 마커가 급증했습니다.
ROS 수준은 박탈 10 일째에 정점에 도달했습니다. 파리가 정상적으로 수면을 시작했을 때, ROS 수준이 다시 기준선에 가까워지는 데 약 15 일이 걸렸습니다. 동시에 파리가 새로운 박탈을 견딜 수있는 시간이 걸렸습니다.
.Rogulja와 Vaccaro는 프로젝트를 시작한 지 몇 달 만에 그러한 명확한 결과를 예상하지 못했습니다. 너무 쉬워서 즉시 회의적으로 만들었습니다. Rogulja가 Pew Biomedical Scholars의 회의에서 예비 데이터를 보여 주었을 때, 그들의 흥분은 그녀를 조금 이라지 못했습니다. 그녀는 그 결과에 대해 신중한 것을 선호하면서“그렇게 좋아하지 않습니다.
.결과적으로 지난 3 년 동안 Vaccaro와 Rogulja는 박사후 연구원 인 Yosef Kaplan Dor와 함께 산화와 수면 손실 사이의 명백한 연결에 구멍을 뚫기 위해 노력해 왔습니다. 그들은 2 초마다 함유 된 튜브를 흔드는보다 전통적인 방법으로 수면 파리를 박탈 당하고 ROS의 수준이 수면 손실 수준과 상관 관계가 있는지 확인했습니다. 그들은했다. 팀은 수면이나 깨어남을 촉진하는 돌연변이로 파리를 보았습니다. 수면이 부족한 파리에는 장에 Ros가있었습니다. 반대로, 수면 부족을 견딜 수있는 것으로 알려진 돌연변이 파리의 용기에 ROS가 나타나지 않았습니다.
프로젝트의 가장 이상하고 흥미 진진한 기간은 연구원들이 ROS의 산화가 파리를 죽이면 파리에 항산화 제를 주어야한다고 결정했을 때였습니다. 그것은 건강한 건강 식품 실험처럼 들렸지 만 Vaccaro는 파리에서 일하는 것으로 알려진 산화 방지제를 검색 한 다음 곤충에 공급했습니다. 연구원의 놀랍게도, 치명적으로 수면이 부족한 파리는 정상적인 비행 수명에 도달했습니다. 장에서 항산화 효소 수준을 올렸을 때도 같은 일이 일어났습니다 (그러나 신경계에서했을 때가 아니라)
.그 여름 Rogulja는“과학에서 더 재미있게 지내는 것을 상상할 수 없습니다. “온 가족과 실험실 전체가 아침에 모일 것입니다. 우리가 산화 방지제를주기 시작하면‘그들은 살아 있습니다!’그리고 그들은 살아 있었을뿐만 아니라 좋아 보였습니다. "
.Vaccaro와 실험실의 기술자 인 Keishi Nambara는 Harvard의 Michael Greenberg 실험실의 공동 작업자와 함께 마우스와의 플라이 실험의 구식 버전을 수행했습니다. 그들은 생쥐를 돌이킬 막대가있는 새장에서 최대 5 일 동안 깨어있게하여 동물들을 부드럽게 밀어 움직이게했습니다. 동물의 내장에서, Ros의 Telltale Glow가 나타났습니다.
장 수준의 문제
Shaw에게 팀의 새로운 논문은 매우 흥미 롭습니다. "그들이 유전학의 힘을 활용 한 것을 보는 것은 매우 흥미 롭습니다." "우리는 길고 어려운 실험이기 때문에 죽을 때까지 [기계적으로] 수면 중단 파리의 전체 프로젝트를 포기했으며 스트레스를 통제하기가 어렵습니다. 이 연구는 수면 박탈의 유전 적 및 기계적 수단을 모두 사용하기 때문에 그 문제를 회피합니다. “환상적이고 환상적입니다. … 나는 매우 감동했다”고 말했다. "나는 그것이 매우 잘 통제된다고 생각했다."
결과가 의미하는 바는 여전히 탐색해야합니다. 그들은 수면이 신체의 산화 조절, 특히 장에서 매우 중요하며 신체에 널리 퍼져있을 가능성이 높다고 제안합니다. Rogulja와 Vaccaro는 그들의 새로운 논문에 다음과 같이 썼다. 그들이 연구 한 파리에서 산화 방지제는 단일 수단이었습니다.
그들의 연구 결과는 산화와 불충분 한 수면, 특히 에버슨의 실험실에서 신진 대사에 관심을 갖는 이전 보고서의 흐름으로 비롯됩니다. 에버 슨은 뇌가 수면의 조절자인 반면, 신경학보다 수면이 더 많다고 느꼈다. 수면이 부족한 쥐에서, 그녀는 멸균되어야했던 조직에서 면역 학적 실패와 박테리아의 징후를 관찰했다. 그런 다음 2016 년에 그녀와 그녀의 동료들은 간, 폐 및 소장에서 수면이 부족한 쥐의 산화를 발견했다고보고했습니다. 에버슨은 염증의 마커가 종종 수면 부족 후 조직에 떠 다니는 것으로 밝혀졌지만, 그들의 근원은 결코 명확하지 않았다고 말했다. 산화가 신체 어딘가에 통제 할 수없는 경우, 세포 손상의 위기가 발생하면 그 증가가 발생할 수 있습니다.
에버슨은 또한 수면이 부족한 쥐의 용기가 새는 자라서 동물의 혈류로 박테리아를 방출한다는 것을 발견했습니다. 그러나 Rogulja와 그녀의 동료들이 본 것에서, 파리의 내장은 새는 것처럼 보이지 않습니다. ROS는 또한 그들이 검사 한 다른 조직에서 상승하지 않는 것 같습니다. 그리고 파리가 잠을 자면 때때로 더 많이 먹었지 만, 내장의 ROS 레벨은 똑같이 보였습니다.
쥐와 파리의 산화에 관한이 퍼즐 조각이 어떻게 어울릴 수 있는지는 확실하지 않으며, 런던 임페리얼 칼리지 (Imperial College London)의 수면 연구원 인 조르지오 길 레스트로 (Giorgio Gilestro)는이 실험으로 인해 ROS가 파리를 죽이고 있다는 것을 분명히하지만, 반드시 쥐를 죽인 것과 같은 의미는 아닙니다. 수면을 잃은 인간에 대한 작은 연구에 따르면 장에 사는 박테리아 인 장내 미생물의 구성이 불충분 한 수면 후에 바뀌었고, 예비 발견이 수면과 장 사이에 또 다른 연관성을 그리는 데 흥미 롭습니다.
.그럼에도 불구하고 아마도 가장 시급한 문제는 아무도 ROS가 어디에서 왔는지, 왜 장에서 발생하는지 모른다는 것입니다. 대사 또는 기타 프로세스가 발생하는 과정은 무엇입니까? 수면 부족으로 ROS가 과도하게 생산됩니까? 아니면 정상적으로 그들을 제거하는 프로세스를 방해합니까? 그리고 왜 Ros는 어쨌든 잠을 자고 있습니까? Rogulja는 이러한 질문의 일부 측면을 탐구하기위한 실험을 계획하고 있습니다.
이 모든 것 뒤에는 수면이 신체를 위해하는 일에 대한 놀라운 폭이 넓습니다. 학습, 신진 대사, 기억 및 수많은 다른 기능과 시스템이 영향을 받는다는 사실은 ROS의 존재만큼이나 기본적으로 변경됩니다. 그러나 ROS가 수면 손실의 치명적인 뒤에 있더라도 예를 들어 수면의인지 효과가 같은 출처에서 나온다는 증거는 없습니다. 산화 방지제가 파리에서 조기 사망을 막더라도 수면의 다른 기능에 영향을 미치지 않을 수도 있고 그렇다면 다른 이유가있을 수 있습니다.
결코 잠들지 않는 파리와 그들의 빛나는 용기는 우리에게 수면은 단순히 마음과 뇌의 기능이 아니라 전신 경험이라는 것을 상기시켜줍니다. 그들의 죽음에서는 소리가 사라지는 이유와 잠재적으로, 잠재적으로, 수면이 신체 전체에 다른 시스템을 연결하기 위해 어떤 일을하는지에 대한 답이있을 수 있습니다. Shaw는 Rogulja의 실험실에서 다음에 어떤 일이 일어나는지 보는 데 관심이 있습니다. "이것은 매우 중요한 질문입니다. 그리고 그들은 그것을 해결할 수있는 방법을 생각해 냈습니다.
수정 :2020 년 6 월 10 일
Dragana Rogulja는 원래 훈련에 의해 발달 신경 과학자로 묘사되었습니다. 그녀의 박사 학위는 발달 생물학에 있습니다.
rechtschaffen 실험실의 턴테이블 실험에 대한 설명은 정확성을 위해 수정되었습니다.
