왜 우리는 수면이 필요합니까? 답변에 대한 오랜 검색에서 과학자들은 종종 수면이 무엇인지, 어떻게 진화했는지, 그리고 제공하는 이점에 대한 더 많은 생각을 자극하는 신비를 발견했습니다. 이 에피소드에서 Steven Strogatz - 유명한 수학자, 저자 및 호스트의 Joy of Why - 하버드 의과 대학의 신경 생물학 조교수 인 Dragana Rogulja와 최근 수면 부족이 과일 파리의 사망을 유발하는 방법을 발견했습니다. 그런 다음 그는 Texas A &M University의 신경 유전 학자 인 Alex Keene과 대화를 계속하고 있으며, 수면의 진화 역사에 대해 더 많이 이해하기 위해 동굴 물고기를 연구합니다.
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전 사체
Steven Strogatz (00:03) :저는 Steve Strogatz입니다. 이것이 왜 의 기쁨입니다. , Quanta Magazine 의 팟 캐스트 그것은 오늘날 과학과 수학에서 가장 큰 답변이없는 질문으로 당신을 안내합니다. 오늘 우리는 수면에 대해 이야기 할 것입니다.
어쨌든 우리는 왜 자나요? 우리는 잠자는 삶의 3 분의 1을 보낸다. 그래서 그것이 매우 중요하다고 생각합니다. 그러나 우리가 이해하지 못하는 것에 대해 여전히 많은 것이 있습니다. 수면 연구자들이 확신하는 한 가지는 우리 몸의 모든 시스템이 수면에 영향을받는 것 같습니다. 우리가 수면을 놓치면 순환, 소화, 면역 체계, 신진 대사 및 물론 뇌 기능을 손상시킵니다. 그리고 수면 부족은 손상을 위해 장기적 일 필요는 없습니다. 사실, 당신이 충분히 오랫동안 잠을 자지 않으면 죽을 것입니다. 그러나 왜 정확히?
Dragana Rogulja는 그것에 대해 무언가를 알고 있습니다. 우리는 잠시 후 그녀와 이야기 할 것입니다. 그녀는 하버드 의과 대학의 신경 생물학 부교수입니다. 그녀는 우리가 왜 잠을 자야하는지, 그리고 뇌가 잠들고 깨어있는 사이에서 어떻게 전환되는지 연구합니다. 그녀는 또한 수면 결함의 치명적인 영향을보고 있습니다.
나중에, 우리는 수면의 신경 규제와 수면이 어떻게 진화했는지에 대한 더 큰 그림에서 그 역할을 연구하는 Texas A &M University의 Alex Keene의 의견을들을 것입니다. 그는 멕시코의 동굴에 사는 물고기를 예기치 않은 곳을 바라보며 그렇게합니다. 그러나 먼저, Dragana Rogulja, 오늘 우리와 함께 해주셔서 감사합니다.
Dragana Rogulja (01:35) :나를 초대해 주셔서 감사합니다. 이것은 믿어지지 않습니다.
strogatz (01:38) :네, 당신의 일에 대해 당신에게 이야기하게되어 매우 기쁩니다. 그러나 먼저, 나는 우리가 일반적으로 수면에 대해 광범위하게 이야기 할 수 있기를 바랐습니다. 마찬가지로, 우리 모두는 어머니에게“왜 잠들어야 하는가?”라고 물어 본 것을 기억합니다. 내가 어렸을 때. 그리고 그녀는 피곤하기 때문에 휴식을 취하는 데 도움이 될 것이라고 말했습니다. 그러나 수면은 단순한 휴식과는 정말 다른 것 같습니다. 수면에서 우리는이 전체의 의식 상태를 가지고 있기 때문입니다. 수면은 휴식과 어떻게 다른가요?
rogulja (02:07) :글쎄, 당신은 아마도 지금 앉아 있고 어떤 식 으로든 쉬고있을 것입니다. 하지만 당신은 확실히 자고 있지 않습니까? 그렇습니다. 그렇게 다른 것은 무엇입니까? 그리고 나에게 수면의 가장 결정적인 특징은 외부 환경과 내부 상태에 대한 인식 상실의 종류가 여러 가지면에서
라고 말합니다.일반적으로 인간이나 다른 포유류에서 수면을 공부할 때, 우리는 뇌의 전기 활동을 보는 곳에서 이러한 기록을 수행하며 이러한 파도가 변하는 것을 볼 수 있으며, 잠을자는 간단한 동물에서는 그렇게 할 수 없습니다. 그러나 우리는 그들이 실제로 이들 상태에 들어간 상태에 있다는 것을 알고 있습니다. 그들은 움직이지 않지만 어쨌든 움직이지 않을 수 있습니다. 그래서 당신은 움직이지 않지만 이것은 인식의 상실, 신체의 이완과 결합됩니다. 그리고 나는 그것이 왜 까다로운 일이라고 생각합니다. 나는 우리가 그 이유를 생각하고 싶다고 생각합니다. 그러나 우리가 왜 그런지 묻는 방법입니다. 우리가 이해할 수있는 수면에 대한 가장 원시적 인 것은 무엇입니까?
strogatz (03:09) :나는 당신이 사람들 외에 다른 동물을 언급하는 것을 보았습니다. 내 말은, 우리는 수면이 무엇인지에 대한 자연스럽게 인간 중심적인 견해를 가지고 있습니다. 우리는 꿈에 대해 생각합니다. 그러나 당신이 말했듯이, 아마도 다른 동물들에서 우리가 어떻게보아야하는지에 대한 질문을할까요? 누가 동물 세계에서 자는가?
rogulja (03:24) :오늘날 우리가 생각하는 것은 실제로 수면이 동물 자체만큼 오래된 것입니다. 따라서 우리가 살아있는 화석이라고하는이 동물들이 있습니다. 왜냐하면 그들은 동물의 진화 전반에 걸쳐 크게 변하지 않았기 때문입니다. 그리고 우리는 해파리와 같은 단순한 동물, 현재 Hydra와 같은 간단한 동물을 보면서 매우 원시적 인 신경계를 가진 동물입니다. 그들이 내가 말할 수있는 이러한 형태의 행동에 관여한다는 것은 매우 분명합니다. 모든 실제 목적은 우리의 수면과 같습니다. 그들은 연결을 끊고, 주변에서 일어나는 일에주의를 기울이지 않고, 그 자극이 매우 강하지 않으면 외부 자극에 반응 할 수 없습니다. 그래서 우리는 그것을 기본적으로 가장 단순한 동물로 봅니다.
strogatz (03:25) :놀랍습니다. 나는 이것에 대해 듣지 못했습니다
rogulja (03:26) :나에게 가장 큰 문제는 뇌와 수면 사이의 관계에 너무 중점을 둔다는 것입니다. 그러나 우리 가이 단순한 동물이 잠을 자고 있다는 사실을 받아들이면, 우리는이 크고 아름다운 뇌와 함께 나타나지 않았기 때문에 뇌 너머로 생각해야합니다.
strogatz (04:33) :예, 정말 흥미로운 점입니다. 자, 알겠습니다. 두뇌에 대해 조금 덜 생각해 보겠습니다. Allan Hobson은 수면이“뇌, 뇌와 뇌에 의해”라는 말을했습니다.
.rogulja (04:44) :네, 그게 옳지 않다고 생각합니다. 나는 그것이 옳다고 생각하지 않습니다. 나는 그것이 옳다고 생각하지 않습니다. 내 말은, 그것은 확실히 뇌를위한 것입니다. 그러나 그것은 또한 다른 많은 것들을위한 것입니다. 우리 몸의 조각은 우리 몸의 조각들입니다. 그래서 나는 그것이 옳다고 생각하지 않습니다. 뇌 나 뇌에 의한 것이라고조차도, 나는 뇌가없고, 매우 단순한 신경계, 매우 단순한 신경계, 실제로 초보적인 신경계를 가진 동물을 의미합니다. 그래서 나는 그것이 일종의 의미론 문제 일 수 있다고 생각합니다. 뇌가 뇌가 아닌 뇌가 아니지만 신경계를위한 것이라고 생각조차하지 않습니다.
.그리고 실제로, 우리는 이제 뇌뿐만 아니라 신체의 다른 장소가 수면을 조절할 수 있다는 증거가 있습니다. 내 말은, 우리와 다른 사람들은 수면을 조절하는 신호가 신체의 다른 곳에서 올 수 있다는 증거를 가지고 있습니다. 그리고 그것은 단지 뇌를위한 것이 아니라 우리에게도 증거도 있습니다.
strogatz (05:35) :귀하와 동료의 일 덕분에 지금 많은 증거가 축적되었습니다. 당신은 훌륭한 모델 유기체를 사용하여 인간 중심의 관점에서 다시 한 번 우리에게서 그것을 부릅니다. 내 말은, 그들이 모델 유기체로 생각하는지 모르겠습니다. 과일 파리, 우리는 유 전적으로, 발달 적으로 그들에 대해 너무 많이 알고 있습니다. 그리고 이제 당신은 그들을 사용하여 어떤 수면이 될지 가르쳐줍니다.
rogulja (05:59) :예. 그래서 수십 년 전에 파리에서 수면이 모든 상자를 점검하는 것으로 나타났습니다. 수면으로 간주하기 위해 통과 해야하는 특정 기준이 있습니다. 그리고 이것은 실제로 파리에서 발생하는 것으로 나타났습니다. 그들은 몇 시간 동안 움직이지 않는 곳에이 주에 들어가고, 물론 움직이지 않는다고해서 자고 있음을 의미하지는 않습니다. 그러나 다시, 그들은이 상태에 들어가서 외부 환경에서 크게 분리됩니다. 우리에게 일어나는 것도 마찬가지입니다. 자고있을 때, 당신은 단지 - 당신은 자극에 반응하지 않습니다.
그들은 모든 종류의 유전 적 조작에 적합합니다. 그리고 그들이 잠을 자지 못하면 나쁜 일이 일어날 수 있고 죽을 수 있다는 의미에서 그들이 수면이 필요하다는 것이 분명해졌습니다. 우리는 주로 실험실에서 파리를 사용하고 있습니다. 그리고 우리가 우리가 생각하는 무언가를 찾을 때, 당신은 중요한 발견을하고, 우리는 마우스에서 그 결과를 테스트하고, 우리에게 더 많은 자신감을줍니다. 그리고 지금까지, 우리가 교차 점검하고있는 것들, 그것은 거의 똑같습니다. 그리고 당신은 알다시피, 나는 파리가 우리와 똑같다는 생각에 정말로 왔습니다. 게다가 그들은 날 수 있습니다. 매우 멋지다.
strogatz (07:08) :놀랍습니다. 영화 The Fly 이외의 사람은 많지 않기 때문입니다. , 내 말은 - 많은 사람들이 자신을 파리와 연결된 것으로 생각하지는 않지만 지구의 삶의 통일성이 환상적이며, 파리와 생쥐에서 자신에 대해 많은 것을 배울 수있는 방법입니다. 내 말은, 우리는 깊은 방식으로 친척입니다.
rogulja (07:26) :오, 나의 신, 절대적으로. 나는 우리 모두라고 생각하게되었습니다. 본질적으로 우리는 모두 똑같습니다. 더 많은 생물학을 알수록, 우리 자신을 다른 모든 것과 분리된다고 생각할 수 있습니다.
strogatz (07:39) :당신이 한 일의 종류와 당신이 수십 년 동안하고있는 사람들,이 경우 동물을 박탈하는 곳,이 경우 파리 나 마우스, 수면을 취한 다음 충분히 오랫동안 잠들지 않고 죽었는지 물어보십시오. 그리고 당신은 단서, 매우 중요한 단서가 있습니다
rogulja (08:04) :예, 바로 우리가 시작한 곳입니다. 실험실을 시작했을 때 이것은 오랫동안 관심이 있었던 질문입니다. 왜, 맞죠? 왜 잠을 자야합니까? 그리고“왜”는 해석입니까? 우리는 그렇게 말할 수 있습니다. 이것이 바로 그런 이유입니다. 그러나 우리가 실험적으로 할 수있는 것은 실제로 쇼와 같습니다. 일이 어떻게되는지처럼.
내가 실험실을 시작했을 때, 박사포가 실험실 인 Alex Vaccaro에 왔습니다. 그리고 우리는이 질문에 접근하는 방법에 대해 이야기했습니다. 그리고 우리는 동물이 왜 잠을 자지 않고 죽을 이유에 대해 우리가 불가지론 할 새로운 접근법을 취하기로 결정했습니다. 수면에 대한 생각에서 벗어나려고 정확하게 노력하는 것은 뇌에 의한 것입니다. 그래서 우리는 방금 잠을자는 파리를 정말로 박탈하면 다른 방식으로 그렇게하려고 노력한다면 알았습니다. 따라서, 다른 방법론, 비 겹치는 방법론을 갖는 다음 수명을보고 그들이 죽을 시간이 있는지 확인하십시오. 그런 다음, 우리는 그 앞에 일어날 일을 찾을 수 있습니까?
(09:04) 우리는 약간의 믿음으로 이것에 뛰어 들었지만 솔직히, 우리는 우리가 찾은 것과 같은 것을 찾을 것이라는 희망이 거의 없었습니다. 왜냐하면 그것은 단지 그렇게 보였기 때문에 느낌이 들었습니다. 그것이 뇌가 아니더라도, 신체에 많은 다른 일이 일어나고있을 수 있으며, 정확한 사망 원인을 정확히 찾아 내기가 어려울 수 있습니다.
.저를 정말로 놀랐던 첫 번째 것은 당신이 수면의 동물을 박탈 할 때 그들이 추락하고, 조기에 죽는다는 것입니다. 이것은 파리에 있으며, 죽을 때 매우 재현 가능했습니다. 그래서 그것은 그들이 얼마나 많은 수면을 잃어 버렸는지에 달려있었습니다. 수면이 많을수록 더 빨리 죽습니다. 그러나 다른 방법론이 다르면 모두 같은 수면 손실을 일으킨다면, 같은 종류의 동역학으로 죽어 가게되었습니다. 그래서 정말 놀랐습니다. 특정 시간에 발생합니다.
그것이 중요한 이유는 우리에게 특정 사건이있을 수 있다고 제안했기 때문입니다. 그것이 우리가 가장 먼저했던 것입니다. 우리가 생존과 수면 상실 사이의 실제 상관 관계를 찾을 수 있다면, 아마도 우리는 무슨 일이 일어나고 있는지 찾을 수있을 것입니다.
.strogatz (10:17) :바로 거기에서 일시 중지 해달라고 부탁 할 수 있습니까? Kinetics라는 단어를 사용하고 당신이 의미하는 바를 추측하기 때문에 이것이 올바른 그림인지 말해주십시오. 마찬가지로, 내가 100 번의 파리를 가졌다 고 가정하고, 잠을자는 것을 박탈하기 시작했다고 가정 해 봅시다. 어느 날 일정량이 살아남은 다음 일정량이 둘째 날까지 살아 남았습니다. 그리고 당신은 그런 그래프를 만들고 있습니다.
rogulja (10:35) :정확히. 좋아요. 그러면 발생하는 일은 처음에 모두가 100% 살아있는 것처럼 보입니다. 그리고 통제는 계속 생활합니다. 그리고 어느 시점에서, 당신이 얼마나 많은 수면을 잃는 지에 따라. 수면이 많을수록 더 빨리 충돌할수록이 생존 곡선이 내려 가기 시작합니다. 따라서 수면 부족 동물의 80%가 살아있는 60%입니다. 그리고 우리가 모든 수면을 제거하면, 수명이 당신에게 걸릴 수 있습니다. 당신은 분기에 살고, 당신의 수명은 통제의 1/4입니다. 그래서 그것은 정말로, 그것은 매우 강한 효과입니다.
.strogatz (11:11) :그것은 잔인합니다. 따라서 생존 곡선이라고 부르는이 일을 그래프로 만들면 잠을자는 시간의 함수로서 살아남은 숫자는 곡선이 어떻게 생겼습니까?
rogulja (11:22) :예, 좋은 질문입니다. 그리고이 전체 여행에서 정말로 중요한 것. 따라서 특정 요점이있는 것처럼 보이며, 그 지점은 갑자기 잠을 잃은 수면이 얼마나 많은 수면을 잃어 버리기 시작하는지에 달려 있습니다. 예를 들어, 컨트롤이 최대 40 일, 10 일경에 살았던이 조건에서는 약 90%의 수면 손실입니다. 그래서 10 일째에 그들은 충돌하기 시작하고 20 일째에는 모두 죽었습니다. 따라서이 수면이 부족한 동물의 생존 한 마지막은 20 일째에 죽었습니다. 그리고 대조군은 40 일까지 산다. 그리고 10 일째에는 그들이 추락하기 시작하는 변곡점이 있으며, 그로 인해 몸에서 일어나고있는 나쁜 일을 찾아야 할 때 창문을주었습니다. 예, 정말 중요한 지점이었습니다.
strogatz (12:16) :그리고 다른 기관을 보면서 시작 했습니까?
rogulja (12:18) :예, 실제로는 매우 간단했습니다. 내 말은, 그 아이디어는 매우 간단했습니다. 이 프로젝트를 시작한 박사후과의 Alex에서 우리가 시작한 것과, 다른 박사후 박사후에 그녀와 합류 한 Yosef Kaplan Dor. 아이디어는 이제 우리가 파리에서 꺼낼 수있는 모든 기관을 가져 가서 동물 전체를 해부하고 병리학을 수행하고 말하며, 우리가 생각할 수있는 모든 것을 살펴 보는 것이 좋지 않은 일의 표식이 무엇입니까? 세포 사멸의 마커, DNA의 마커가 손상되었습니다. 그래서 우리는 모든 곳에서 모든 것을 보았습니다. 좋아, 몸 전체에. 그리고 그것은 우리가 우리 자신을 뇌로 제한하지 않았다는 것입니다. 우리는 단지 어디에서나 나쁜 일이 일어날 수 있다고 생각했습니다. 모든 장기를 가져 가자.
.그리고 우리가 그렇게했을 때, 우리 가이 놀라운 대답에 도달 한 것은 실제로 정말로 빠르며, 그것은 장에서, 특히 나쁜 일이 일어나고 있었다.
.strogatz (13:12) :장. 그것은 분명하지 않습니다. 내 말은 아니야? 수면을 잃는 것은 어떻게 든 플라이의 장에서 무언가를 엉망으로 만듭니다. 우와, 정말 흥미 롭습니다.
rogulja (13:23) :예, 충격적이었습니다. 알다시피, 그것은 지금 익숙해 졌던 것들 중 하나입니다. 몇 년이 지났습니다. 물론 그렇습니다. 하지만 우리가 처음 으로이 결과를 얻었을 때, 예, 정말 이상했습니다. 알다시피
알렉스가 한 일은 그녀가 보았던 것 중 하나는 반응성 산소 종의 수준이었습니다. 우리는 조금 이야기 할 수 있습니다. 이것들은 매우 화학적으로 활성화 된 산소의 분자 유도체이며 매우 불안정합니다. 그리고 그녀는이 동물들이 엄청나게 죽고 수면이 부족한 동물을 시작할 때와 정확히 일하기 때문에, 특히 장에 반응성 산소 종이 크고 엄청나게 증가했습니다. 그것은 바로 앞에 있었다.
strogatz (14:04) :사람들이 자유 라디칼에 대해 이야기하는 것을 들었습니다. 그게 다른 것입니까?
rogulja (14:07) :이름이 말한 것처럼 반응성 산소 종은 산소에서 유래 한 것처럼 매우 반응합니다. 자유 라디칼은 이러한 반응성 산소 종의 가장 반응성이 높은 형태입니다. 그것들은 매우 피해를 입지 만 자유 라디칼은 산소가 아니라 다른 것들로부터 도출 될 수 있습니다. 그러나 중요한 것은 원자가 궤도에 외부 궤도에 짝을 이루지 않은 전자를 가지고 있다는 것입니다. 이것이 화학 반응에 관여하는 궤도입니다. 안정성을 위해 전자를 짝을 이루어야합니다. 그래서이 분자들은 흔들릴 수 있습니다. 그리고 그들은 세포 분자를 공격합니다. 그들은 전자를 훔쳐서 지방의 단백질에서 DNA에서 말하면 산화됩니다. 그래서 이것은 녹슬과 매우 유사합니다. 또는 사과를 자르면 사과를 공기에 노출시켜 산화됩니다. 그게 갈색 물건이야, 알았지? 그래서 당신은이 세포 분자를 위험한 분자, 자유 라디칼로 바꾸어 다른 것들을 공격합니다.
strogatz (15:03) :오 소년.
rogulja (15:04) :예, 예, 미쳤습니다. 그래서 우리가 본 것은 반응성 산소 종이 축적 된 다음 장의 산화 또는 산화 스트레스를 추적한다는 것입니다. 그리고 그것이 내가 언급 한 것, 당신이 세포 분자에서 전자를 훔치고 파괴한다는 사실입니다. 그래서 당신은 결국 세포가 죽어 가고 장에서 엄청나게 죽어가는 것을 보게됩니다. 그리고 이것은 모든 일이 일어나고, 그들은 죽습니다.
strogatz (15:29) :화학이나 생화학을 해낸 지 얼마되지 않아서 우리의 청취자 중 일부가 같은 일을했기 때문에 확인하기 위해서. 기본 요점은 당신이 파리, 수면없이 가거나 너무 오래 잠을 자지 않아야한다면, 장내에서 이러한 반응성 산소 종의 매우 비정상적으로 높은 수준을 높일 것입니다. 나는 그들이 ROS로 약식하는 것을 본다. 당신은 그것을“로스”로 발음합니까?
rogulja (15:49) :“로스”또는 반응성 산소 종. Ros, 그래.
strogatz (15:52) :따라서 이러한 반응성 산소 종은 내부 녹이나 일종의 독과 비슷합니다. 그게 요점이야?
rogulja (15:58) :예, 바로 그 요점입니다. 파이프의 녹슬고, 사과를 공기에 노출시키고, 갈색으로 변하는 것과 같은, 녹슬고, 당신은 알다시피, 산화된다고 생각합니다. 산화는 본질적으로, 다른 분자를 산화하면 전자를 훔치는 것을 의미합니다. 좋아.
그래서 그게 일어나는 일입니다. 그것이 산화 스트레스입니다. 그리고 그것에 대해 정말로 위험한 것은 하나의 분자가 다른 분자를 공격하고 나쁘게 바꾸고 다른 사람을 공격하기 때문에 전파 될 수 있다는 것입니다. 그리고 이것이 우리가 본 것입니다. 그리고 우리는 파리에서 그것을 보았고, 우리가 생각할 수있는 모든 수면 손실 방법으로 그것을 보았습니다. 그리고 우리는 생쥐를 체크인했고 당신은 같은 것을 볼 수 있습니다. 그러나 가장 흥미로운 것은 우리가 그와 그 뒤에있는 죽음 사이의 원인을 보여 주려고했을 때왔다. 사망보다 앞서서 그것이 인과 관계가 아니라는 의미는 아닙니다. 상관 관계가 될 수 있습니다.
그래서 Alex와 Yossi가 한 일과 팀의 다른 사람들 이이 분자들을 중화하려고 시도하는 것이 었습니다. 따라서 장에서 반응성 산소 종을 제거하고 이것이 수면없이 정상적인 생명을 생존 할 수 있는지 확인하십시오. 그리고 우리는이 생각을 시도했습니다. 알겠습니다. 논리적 인 일입니다. 그러나 나는 그것이 효과가있을 것이라고 믿었습니까? 나는 거절한다고 말할 것입니다. 정말 환상처럼 보였습니다.
(17:17) 충격적이었고 충격적이었습니다. 우리는 모두 모여 매일이 파리를 볼 것입니다. 내 말은, 그들은 단순히 특정 산화 방지제를 공급했고, 반응성 산소 종을 중화시킬 수 있었고, 살아남을 수있었습니다. 그러나 우리가 산화 방지제를 먹이서이 일을했을 때, 우리는 생각했습니다. 알았어요. 알다시피, 당신은 다른 곳에서 ROS를 보지 않기 때문에 어디로 가고, 몸의 어느 곳에서나 행동 할 수있는 곳을 알지 못하는 것을 먹었을 때 알았습니다. 그래서 우리가하고 싶었던 것은 기본적으로 유전자 조작을 통해 장에서만 이것을하는 것이 었습니다.
항산화 제를 발현하고 항산화 효소를 넣으면 이러한 트릭이 있습니다. 따라서 산화 방지제는 ROS와 같은 산화제를 중화시키는 것이므로 장에만 넣습니다. 그리고 당신은이 구조를 생존 할 수 있습니까? 그리고 그것은 우리가 장에서 이러한 것들을 제거하는 한, 동물은 살아남을 수 있습니다.
strogatz (18:15) :너무 훌륭합니다. 내 말은,이 실험은 너무 독창적이고 간단하여 모든 동료들이 느끼게 만들어야합니다. 아, 왜 그렇게하지 않았습니까? 이 분야는 - 알았지? 물론, 당신은 지금 유전자 공학의 힘을 가지고 있습니다. 정말 도움이되었습니다.
rogulja (18:30) :예. 그들이 그렇게 느끼는지 모르겠습니다. 그러나 나는 이것을 말할 것입니다. 예, 매우 간단했습니다. 그래도 그게 내가 말해 줄게 나는 매끄러운 일의 일부가 아니 었습니다. 마찬가지로, 나는 더 힘든 질문을 한 적이 없으며, 더 매끄러운 일의 일부가 아니라고 생각합니다.
strogatz (18:46) :그래서 그것을 얻으겠습니다. 다시 한 번 지나치게 단순화된다고 말하는 것과 비슷하지만 녹 제거제가 아닌 녹 제거제를 사용하는 것과 비슷합니다. 직감만으로, 그것은 죽었던 파리를 구하기에 충분합니다.
rogulja (18:58) :절대적으로 맞습니다. 그것이 바로 일어난 일입니다. 그리고 우리가 실험실에서 이해하고 싶었던 또 다른 질문은 정확히이 감각적 분리를 어떻게합니까? 이 감각 연결 상태를 어떻게 입력합니까? 깨어있을 때와 같이 잠들었을 때 정보를 처리하지 않는 이유는 무엇입니까?
그래서 실험실의 또 다른 박사후 Iris Titos, 그녀는이 화면을 수행했으며 화면은 단지 하나씩 유전자를 제거하려고하는 곳입니다. 따라서 우리는 어디에서 조작을 찾고 있습니다. 즉, 이제는 수면 중에 동물을 극도로 반응하거나 반응하지 않도록 지진으로 잠을 잘 수있는 사람을 알 수 있습니다. 그리고 그녀가 찾은 것은 장에서 유래하는 신호입니다. 그래서 이것은 완전히 별도의 연구였습니다. 그녀는 고 단백질 다이어트에 반응하여 장에서 분비되는이 분자를 발견했으며, 뇌에 신호를 보내서 더 깊은 수면에 빠지게하여 더 큰 감각 분리 상태에 빠지게했습니다. 그래서 장이 실제로 수면의 질을 지시하는 곳의 예입니다.
strogatz (20:05) :이것은 거칠다. 이것은 추수 감사절에 칠면조 저녁 식사를 마친 후 너무 많은 트립토판이 있고 잠을 자고 싶을 것입니다.
.rogulja (20:13) :우리의 경우, 우리는 그것이 트립토판이 아니라는 것을 보여주었습니다. 적어도,이 분자는 특정 아미노산에 반응하는 것이 아니라 단백질 성 음식의 방식을 감지하고 있습니다. 그래서 저에게는 내가 해석하는 방식은, 우리 모두가 말하면서 잠을 자고 일하는 것과 같습니다.“위험합니다. 왜 그 상태에 있으면 아무것도 할 수 없습니까?” 그러나 나는 당신이 좋은 식사를했다면 실제로 당신이 더 나아질 것이라고 생각합니다. 당신은 어딘가에 숨어 있고 움직이지 않고 자지 않는 것이 좋습니다. 따라서 본질적으로 분리하고 깊이 잠을 잘 수 있습니다. 그리고 당신은 들판을 가로 질러 달리고 음식을 찾고 위험에 처하게 할 필요가 없습니다.
strogatz (20:52) :허, 매우 흥미 롭습니다. 수면은 실제로 소화와 관련이 있습니다.
rogulja (20:58) :예, 그렇게 생각합니다. 그렇게 생각합니다.
strogatz (21:00) :글쎄, 그것은 모든 동물이 생명의 나무가 무엇이든, 생명의 나무 가이 일을 해야하는 이유를 설명 할 것입니다. 우리 모두는 먹어야합니다. 누구나 먹는 것이 중요하다는 것을 알고 있습니다. 신진 대사가 중요합니다.
rogulja (21:11) :장은 동물의 진화에 나타난 최초의 기관 중 하나 인 것처럼 다른 것이 있습니다. 그리고 나는 그것을 생각했는데 -이 연구 전에, 나는 당신이 그냥 생각하기 때문에 장에 매료되지 않았을 것입니다. 그러나 본질적으로 만들어진 모든 것을 본질적으로 생각해보십시오. 장을 통해 나와야합니다. 당신은 그것을 먹고, 분자를 추출하고, 자신으로 바꾸어야합니다.
이것은 거친 일이 일어나는 몸의 한가운데 가까운 곳과 같습니다. 당신은 다른 동물, 식물, 다른 것들의 조직을 자신을 해치지 않고 분해해야합니다. 당신의 몸에서 생각할 수있는 다른 것은 당신의 내장이 노출되는 것에 접근하는 것에 노출되지 않습니다.
strogatz (21:52) :그것은 끝나는 매혹적인 메모입니다. 정말 깨달고 즐거운 대화에 감사드립니다, Dragana.
rogulja (21:59) :감사합니다, Steve.
아나운서 (22:05) : 왜 의 기쁨 Quanta Magazine 의 팟 캐스트입니다 , The Simons Foundation이 지원하는 편집 적으로 독립적 인 간행물. Simons Foundation의 자금 결정은이 팟 캐스트 또는 Quanta 의 주제, 손님 또는 기타 편집 결정에 영향을 미치지 않습니다. .
strogatz (22:26) :다음 손님은 Alex Keene입니다. 그는 수면을 공부하는 신경 생성 주의자입니다. 또한 Texas A &M University의 생물학과를 이끌고 있습니다. Alex는 과일 파리에서 수면 및 기억 형성을위한 분자 기반을 연구했습니다. 그리고 그는 멕시코 동굴 물고기를보고 수면의 신경 메커니즘과 그들이 어떻게 진화했는지 더 잘 이해했습니다. Alex, 오늘 우리와 함께 해주셔서 감사합니다.
Alex Keene (22:51) :저를 데려 주셔서 감사합니다.
strogatz (22:52) :이것은 훌륭합니다. 나는 동굴 물고기에 대해 듣고 싶어요. 그러나 먼저, 우리는 수면 연구에서 모델 유전자 유기체의 역할에 대한 일종의 광범위한 질문으로 시작해야합니다. 그게 뭐야?
Keene (23:05) :약 25 년 전에 일어난 혁명이 있다고 생각합니다. 그 전에 수면은 포유류 시스템에서 주로 연구되었습니다. 그러나 일주기 리듬, 24 시간 패턴은 널리 보존 된 것으로 알려져 있습니다. 그리고 많은 작업이 매우 간단한 모델로 이루어졌습니다. And so that community that really studied circadian rhythms, led by Paul Shaw at the Neuroscience Institute, and Ahmita Sehgal and Allan Pack at Penn had the idea to bring those experiments into fruit flies, which were this simple model with powerful genetic tools, where you could do gene discovery. 그 이후로, 그것은 다른 많은 시스템 인 Zebrafish, C. el
strogatz (23:51) :1970 년대로 돌아가서 사람들은 파리에서 일주기 시계의 유전 적 기초를 찾으려고 노력했다고 생각합니다. 그리고 당신은 그것이 인접한 수면 분야이기 때문에, 그것은 우리가 지금, 우리는 어떤 식 으로든 수면을 조절하거나 수면을 할 수있는 유전자를 찾고있는 것을 제외하고는 같은 전략입니다.
.Keene (24:09) :예, 따라서, 일주기 리듬은 깨끗하고 간단한 공부입니다. 지구상의 거의 모든 동물이 머리 에이 24 시간 시계를 가지고 있다는 것을 알고 있기 때문입니다. 수면은 훨씬 더 복잡하고 정의하기가 어렵다고 생각하는 반면. 그러나이 분야가 정말로 잘 얻은 것은 동물의 행동을 기록하는 것입니다. 그리고이 그룹들이 파리 수면을 매우 면밀히보기 시작했을 때, 그들은 포유 동물 시스템에서 수면을 식별하는 데 사용하는 이러한 모든 행동 특성을 찾을 수 있습니다. 그리고 그들은 일주기 리듬에 관련된 유전자와 뉴런을 잠들게하는 데 사용 된 많은 접근법을 전달할 수 있습니다. 그리고 그것은 정말로 필드를 시작했고 그 이후로 앞으로 나아가고 있다고 생각합니다.
strogatz (25:00) :단지, 일종의, 완전한 공개, 나의 박사 학위. 수면에 관한 것이 었습니다. 나는 수학자이지만 인간주기 리듬과 수면주기의 수학에서 일했습니다. 그러나 약 35 년 전이었습니다. 그래서 저는 여기에서 약간의 립 밴 윈클입니다. 나는 더 이상 일하지 않습니다. 그래서 그것은 당신이 큰 수면에서 나를 깨우고 분야가 어떻게 진행되었는지 말해주는 것과 거의 같습니다. 사람이 진화를 정말로 믿는다면, 당신은 알다시피, 그 삶은 아마도 오늘날의 마지막 보편적 인 공통 조상으로부터 지구상에서 진화했습니다. 진화론 적 관점에서, 물론 많은 유기체가 수면과 같은 것을 기대할 수 있습니다.
Keene (25:37) :예. 그리고 나는 사람들이 왜 이것을 생각했는지에있어서 수면이 독특 할 수 있으며, 수면은 항상 많은 다른 뉴런의 출현 속성으로 생각 되었기 때문에 수면을 생성하기 위해 복잡한 뉴런의 앙상블이 필요했기 때문에 포유 동물 뇌에는 수백만 또는 수십억의 뉴런이 있습니다. 따라서 누구나 당신이 개별 셀에 현지화 할 수 있다고 생각한 것이 아닙니다. 그러나 지금, 나는 300 개의 뉴런을 가진 동물이 수면이 크게 받아 들여질 수 있다는 사실을 알게되며, 우리는 수면이 무엇인지 다시 생각해야한다고 생각합니다. 수면과 같은 상태에 들어가는 데 필요한 최소 뉴런 수는 큰 문제입니다.
strogatz (26:18) :오, 그냥 물어볼거야. IS c. 엘레 간스 우리가 갔을 때까지?
Keene (26:22) :예, 내 말은 c라고 생각합니다. 엘레 간스 매우 원시적 인 신경계가 있습니다. 수면으로 확인되거나 특징 지어진 Hydra와 해파리도 있습니다. c. 엘레 간스 그리고 Hydra는 수면의 이러한 행동 특성을 가지고 있다는 것이 아니라 수면과 관련된 많은 분자 기계가 보존 된 것으로 보입니다. 따라서이 작은 현미경 벌레에서 인간까지 동일한 유전자가 관여합니다. 예를 들어 Hydra Melatonin을 제공하면 수면과 같은 상태로 들어갑니다.
strogatz (26:53) :HM. 글쎄, 아마도 우리는 이제 멕시코의 동굴로 깊숙이 들어가기 위해 기어를 전환해야합니다. 당신은 멕시코 동굴 물고기에서 많은 일을했습니다. 그들에 대해 조금 말씀 드리고, 왜 그들이 수면과 관련하여 공부하는 것이 흥미로운 지 말 해주세요.
Keene (27:08) :이것은 생물학적 시스템이라고 생각합니다. If you go into northeastern Mexico, there are these surface fish that live in rivers, and they look like normal fish. They have eyes, they’re pigmented. And then, there are 30 different caves around — basically within a county of each other, 50-kilometer area, and they have cave fish that have been trapped there. And so, they’re still the same species, they can still interbreed if we take them out and put them in the lab. But these cave fish look completely different. And the really cool thing is, they’ve lost their eyes, and they’ve lost their pigmentation, but it happened independently in each cave. And so scientists have studied these fish for almost 100 years to figure out how evolution happens repeatedly.
What’s happened recently is we’ve grown to appreciate the differences in their behavior and their physiology. So for example, when I was a postdoc at NYU, we looked at sleep differences in these cave fish. And the impetus for that is there’s lots of speculation that the reason there’s variable sleep throughout the animal kingdom is because the animals have different foraging needs. So for example, if you’re a large mammal like an elephant, you need to eat most of the day. And for that reason, elephants only sleep a few hours a night. And so we knew that food was poor in the caves. And so we tested sleep. And we found that these cave fish had repeatedly evolved to sleep much less. And that was kind of the start of using this organism as a genetic model to look at sleep.
Strogatz (28:31):This idea of being trapped in a cave, I want to understand that a little better. It’s something like what, hundreds of thousands of years ago, there was some kind of geological phenomenon? What, flooding or something that caused them to get trapped?
Keene (28:44):Yeah, so we think that these fish got trapped a few hundred thousand years ago, in all these different caves. The idea is the fish got stuck in there. And then over time, you know, what was needed to survive in a cave is very different than what was needed to survive in a river. And one of the things that we were particularly interested in is sleep. And it looks like what we know now, they sleep less, and our hypothesis is that’s because there’s limited food and if there’s limited food, when you’re asleep, that’s time away from foraging.
Strogatz (29:12):So what, more broadly, are these cavefish telling us about sleep?
Keene (29:16):One of the fundamental questions I think we are trying to address is, do they need less sleep? Or are they chronically sleep depriving themselves? Because one idea you could think of is that they’ve become more efficient sleepers. And it’d be fascinating to know what a brain is like that sleeps so efficiently that it only needs a few hours’ sleep.
More importantly, we can look at the differences in sleep between each population of cave fish. And understand how genetic variation leads to sleep differences. And that’s really important because sleep in humans is incredibly variable. Some people need five hours of sleep. Other people need eight hours of sleep. You can have two people who are insomniacs, but for completely different biological reasons. And that’s really important because the way you might treat that insomnia is different based on the underlying biological problem. If we can go beyond looking at sleep in a few model systems that have been highly inbred in the laboratory, in leveraging the power of this variation that’s out there, that evolution’s created, it’ll tell us a lot more about the variation between individual people, and I think that’s ultimately necessary to treat sleep better, and to understand how it’s working.
Strogatz (30:29):Let’s see if I get this, then, about the independent evolution. I mean, that aspect is very interesting, that you say there’s these 30 caves, they don’t have, to first approximation, maybe almost no interaction with each other. So that when you speak of the fish evolving in this cave, starting a few hundred thousand years ago, or the other cave, they’re like separate experiments. They don’t have any particular contact, and yet, they’re all evolving so that they don’t have eyes, they sleep less, they forage more. Is that what you’re saying?
Keene (30:59):Exactly. And what’s so cool about this system is that we can take them into the lab, and we can breed them and study them. So one of my favorite experiments, and this was done in the 70s, is you take two populations of cave fish from different caves, neither of them have eyes. But if you cross them together, the progeny have eyes. Because it’s — it’s different genetic pathways that lead to the eye loss in each one. But then when you cross them together, each of the offspring get one functional copy from each parent, and then their eyes reappear.
Strogatz (31:33):This is like classic textbook stuff out of high school biology. Little a, big A.
Keene (31:38):Yeah, and it’s amazing when, when you can see it in the lab. And we have some evidence that the way that these fish lost sleep is very different. So for example, we can give one drug that will restore sleep in a population of fish, but have no effect in a different population. And so it’s not a giant leap to translate that to people. Why is Ambien more effective in some people, but not in others, right? And there are probably differences that are leading to sleep loss. And if we can understand why this is happening, we have much more targeted sleep medicine, which is probably the ultimate goal.
Strogatz (32:13):Hmm. Is there such a thing as an insomnia gene? I mean, are you trying to identify genes, maybe even single genes, associated with different kinds of insomnia?
Keene (32:23):Yeah, so, it’s funny, there’s a gene called insomnia that was identified in flies, and the mutants have very little sleep. But I think, more importantly, there are lots of genes that impact sleep. And there lots of different neurons that impact sleep. And that’s what makes this such a complicated system to work with. With circadian rhythms, if we want to have a comparison, there’s a clock in your brain. And we know where that central clock is located. It’s located in the hypothalamus. But I think with sleep, there are sleep circuits that are diffusely located all over your brain. And so you can imagine if there are all these different inputs, and you strengthen one and you get sleep and you strengthen another, and you get wakefulness, there are lots of different ways to impact the system. And so I think there are probably hundreds of genes that impact sleep, and hundreds of different sets of neurons, if we look at the human brain, and so figuring that out is going to be really complex.
One of the things we found in cave fish is that the gene hypocretin, also called orexin, which is thought to be a main regulator of sleep in mammalian systems — narcoleptics have reduced hypocretin signaling, for example — and this gene varies by cave and cave fish. And so cave fish with really short sleep have higher levels of this wake-promoting gene. And so what we think is, it’s possible that variability in hypocretin levels between individual people is contributing to our sleep differences.
Strogatz (33:50):Let me underline that last point, I want to make sure I got that. You’re saying there’s a gene that makes — hypocretin or orexin, you said — are those proteins?
Keene (33:59):So it’s called hypocretin and orexin. It’s a neuropeptide, so it’s released from neurons and binds to a receptor. And it was first identified in these really classic studies in dogs from Emmanuel Mignot’s group at Stanford. And they had these narcoleptic dogs, and he was hunting for the gene that caused narcolepsy. And he found a mutation in the receptor for hypocretin. And it caused the dogs, when they would get excited, to essentially fall asleep with cataplexy, so they wouldn’t move, they’d be paralyzed.
And then later it was found that humans with narcolepsy often had a loss of hypocretin neurons in their hypothalamus. Since then, there’s been a lot of focus on this gene. And so, we just found in cave fish that variable levels of this gene track with how much the fish sleeps. And so, it’s possible that this translates to humans as well. And, you know, really good sleepers might have lower levels of hypocretin. And poor sleepers or insomniacs might have higher levels of this gene. But like I said, it’s probably a complex process, but that’s just one idea of how you could take variable levels of a gene and use it to understand human biology.
Strogatz (35:09):It’s just astonishing, the unity of biology here, that there’s this gene that we have, that dogs have, that your cavefish have.
Keene (35:18):I think what’s amazing to me is that this acceptance that sleep has really old evolutionary origins is recent. In the history of the field of sleep studies, 20 years is not a long time, or 25 years, for people to have made this shift. But I think now that there’s this acceptance, I think there’s just going to be so much knowledge that’s gained when we can take these simple organisms, relatively simple organisms, and apply what we learn to more complex brains.
Strogatz (35:46):One fairly recent discovery that got lots of buzz, I think deservedly, was that zebrafish have two patterns of neuronal activities. One that seems kind of like REM sleep, the sleep that we associate with the dreaming state, in people and in mammals. Why was that discovery about these different patterns, roughly like sleep stages, so important in terms of understanding sleep and evolution of sleep?
Keene (36:13):Yeah, I think this is a really remarkable study from Philippe Mourrain’s lab at Stanford. And the reason is, it’s always thought that, or at this point, I think it’s accepted that these simpler non-mammalian models sleep. But structurally, their sleep can’t be like human sleep, that we have sleep made up of stages, light and deep sleep, REM and non-REM. And what Philippe Mourrain’s lab did is they took advantage of the fact that you can use genetic tools to record the activity of the brain in these zebrafish. They’re transparent when they’re really small, and so you put them under a microscope. And he recorded their activity. And he found that the activity pattern in this area, the dorsal pallium, which is the evolutionary precursor to the mammalian neocortex, had these REM- and non-REM-like sleep patterns. He then used further drug treatments to find that the same drugs that would induce REM-like sleep would induce REM-like patterns in zebrafish. That really showed that there’s kind of a direct line. Not only in the behavior of sleeping, but in the structure of the brain’s activity during sleep, from non-mammalian models all the way up to humans.
Strogatz (37:23):So also, you’ve been looking at how sleep evolves in response to challenges from the environment. So what kinds of environmental challenges are you looking at, and what are you finding from that?
Keene (37:35):We’ve been looking at this, I think, in flies and fish, and I think this is one of the more underexplored areas of sleep. We tend to talk about sleep — I mean, we, the scientific community in general — as a unified process, you sleep or you don’t, but sleep changes based on our internal and external state. So, for example, animals ranging from flies, all the way up to humans, will change their sleep when they’re food-deprived, right, because if you’re really hungry, you probably want to go find food instead of taking the time to sleep. Stress impacts sleep, aging impacts sleep. And I think what we’ll find is the genes involved in sleep differ in each one of those conditions.
And one of the ways I think about this a lot, that might be hard to address directly scientifically, given the tools we currently have, is, I think, sleep loss — the impact of it might vary greatly, depending on the context. If you stay up all night and don’t sleep because you’re really stressed out, that might affect the brain very differently than if you stay up all night because you’re having fun watching movies on TV or hanging out. And so, what is the biological basis of that? I think it’s really important to understand that.
Strogatz (38:42):That’s an interesting thought.
Keene (38:43):And there’s evidence for this, for example — so, our lab and others have found that if you starve a fruit fly, and it loses sleep, it doesn’t need to rebound from that. So it doesn’t need to make up that lost sleep. But if you were to sleep deprive it by mechanically shaking it, it would need to make up that reduced sleep. And the way I think most of us interpret that is, it’s evolutionarily built-in to find ways to compensate for sleep, when it’s part of the brain’s wiring. But when it’s not, when it’s something like mechanical shaking, the brain’s unprepared to do that. And so, there’s a consequence, which is you need to sleep more. So, I think that just highlights the need to look at sleep in all these different contexts, not just a comfortable animal that’s sitting there in its home arena.
Strogatz (39:28):What do you feel like we know about how sleep evolved? And what is it that remains to be learned?
Keene (39:33):We know now that genetically sleep is very conserved, and even at the neural level, from the simplest models, all the way up to humans. I think the two big things we don’t know are how variation in genetics leads to sleep differences. And I say this especially in people, but I think we can learn about this through other models.
So for example, there have been huge, they call them GWAS studies, where they look at the DNA of individuals across huge populations, and most people are probably familiar with this through, from companies like 23andMe. These have also been done for sleep, and what they come up with is lots of hits, lots of genes that are associated with sleep. But it’s hard to verify what those do. And if we could understand how that variation between us impacts sleep duration and quality, I think that’s really important. And then I think that from the evolutionary perspective, the really big thing we don’t know is, what is it about different environments that drive sleep differences?
So I can tell you, the elephant sleeps only a few hours a night and the armadillo sleeps 18 hours a night, but what is it about their behavior, about their evolution that caused those dramatic differences, that made our cave fish lose sleep? And it’s really tricky to study, because it’s hard to go back in time, we can’t go back in time, and trace how their sleep changed over time. It’s not like the fossil record where you can look at changes in bone structure, let’s say, like we’ve done for early hominids. And so what we end up doing is comparing a lot of existing species. And it’s a challenge, but I think it’s, it’s achievable.
Strogatz (41:09):Thinking about sleep evolution research, is there one question that you could identify that you’re most excited about?
Keene (41:16):I think I’m most excited about this idea of linking the animal’s natural ecology to sleep itself, because I think that’s a tangible one. More and more animals are being used to study sleep now, and a lot of that’s being driven by the development of CRISPR. That gives us the ability now to manipulate genes in neurons in just about any model we look at, when before that was limited to a small subset of biological models.
So I’ll give you an example. We started looking at sleep in fish, these cichlid fish that you commonly see in pet stores, from Lake Malawi, in Africa. And there are hundreds of species of fish that all share the same lake and live in close proximity to each other. But they have really different sleep patterns, and sleep durations. And so, we think we can use that, just like we’re using our cavefish, to understand what is it about each individual species, how they forage, how territorial they are, how they’re preyed upon, that links to sleep. And I think this is true for lots of different model organisms. You know, the more we study sleep in different animal models, the more we’ll learn about the links between their ecology to how much they need to sleep.
Strogatz (42:26):Wow, that’s a fantastic note to end on. Thank you so much for joining us today, Alex.
Keene (42:32):Thanks so much for having me. This was really fun.
Announcer (42:38):If you like The Joy of Why , check out the Quanta Magazine Science Podcast , hosted by me, Susan Valot, one of the producers of this show. Also, tell your friends about this podcast and give us a like or follow where you listen. It helps people find The Joy of Why Podcast .
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