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性,还是睡?这是个问题 | 前沿

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 ?求偶的果蝇。来源:潘玉峰实验室


撰文 | 陈晓雪

责编 | 李晓明



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关于中国的创业者,网上曾有这样一个段子:加班多,睡得少,没有性生活,越吃越多,越来越胖。

 

这句话包含了动物以及人类的三种基本行为:睡眠、求偶、吃饭。

 

那么,当我们又饿又困之时,还会兴致勃勃地繁衍下一代吗?这是个问题。

 

实际上,这种行为选择或者行为之间的“优先级排序”存在于每个人、每一天的生活中。神经生物学家要研究的,就是了解动物以及人类行为是如何产生以及被调控的。

 

目前,科学家利用动物模型研究两性相关行为、打斗、觅食以及学习记忆等行为的神经环路以及分子机制均取得了重大进展。但是,动物以及人类如何在多种行为之间的进行抉择,不同行为在神经环路水平是如何沟通的,这些问题一直悬而未决。 

最近,东南大学的神经生物学家潘玉峰与耶鲁大学、霍华德·休斯医学研究所(HHMI)珍妮莉亚(Janelia)研究中心的合作者们取得了突破。

 

“这些研究揭示了控制果蝇的睡眠与求偶这两种基本行为的神经环路之间确实存在相互作用,而这种相互作用决定了哪种行为将优先输出。有趣的是,这种相互作用存在显著的雌雄差异,这为理解两性在行为选择差异性上的神经机制提供了理论基础。”潘玉峰说。

 

7月28日,《自然-通讯》Nature Communications在线发表了这一研究。


 “大多数动物都有睡眠和求偶行为,这两种行为对动物的生存和繁衍至关重要,但一般而言动物不可能同时进行睡眠和求偶,所以神经系统需要有一套机制精确地协调这两种行为的发生。”未参与这一研究的中科院动物研究所研究员周传在给《知识分子》的邮件中说。周传是一位主要以果蝇为模型研究社会行为的神经机制的科学家,曾与潘玉峰在霍华德·休斯医学研究所珍妮莉亚研究中心的同一个实验室做博士后研究。

 

“以果蝇为模型首次揭示了睡眠和求偶行为互作的神经环路机制,这一研究无论是从行为范式上还是神经机制上都对研究多种动物行为的互作有重要的推动作用。”周传评价说。


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 ? 雄性果蝇睡眠与求偶行为之间的相互影响。来源:Chen, Dandan,et al,Nature Communications, 2017




1睡眠与求偶相互影响



与之前研究动物的单个行为不同,潘玉峰和同事这次研究的是果蝇的两种行为之间的影响。

 

实际上,单一行为的研究存在一定的局限性,因为动物不仅仅只有一种行为,而且面临的也不仅仅是一个特定的时刻,特定的条件,而是有着更为复杂的背景,而动物必须在特定背景下选择输出对其最有利的那一种行为。

 

“行为与行为之间存在抉择的问题,而且男性和女性的选择可能还不一样”,潘玉峰说,“这里头蕴藏着一些深层次的神经机制,正是我们探索的目标。”

 

考虑到果蝇的睡眠和求偶是目前研究的最为深刻的两种行为,潘玉峰决定先从这两种行为入手。他的实验室擅长求偶行为的研究,而耶鲁大学的Michael N. Nitabach实验室擅长睡眠研究,合作就这样开始了。

 

他们提出的第一个问题是:这两种行为会不会相互影响?这看似是一个不证自明的问题,但是科学要求有实验数据来说明。

 

在剥夺了果蝇16个小时的睡眠之后,潘玉峰和同事发现,雄蝇的求偶行为显著降低,但是雌性并未受到影响,在缺少睡眠20小时的情况下照样交配。

 

反过来,当雄蝇或雌蝇处于求偶的状态时,是否会影响睡眠呢?在之前的研究中,科学家们已经发现,果蝇中的两个转录因子Fruitless和Doublesex调控了雄蝇的神经元P1的发育与功能,控制着雄蝇的整个求偶过程。P1神经元只在雄蝇脑中存在,能被雌性(而非雄性)身上传递出来的气味、触觉等信息激活。如果人工促进雄蝇脑中P1神经元的活性,雄蝇就会迫切想去求偶,即处于求偶的兴奋状态中。

 

当研究人员上调P1的活性,他们发现雄蝇睡眠可以在百分之七八十,最低也得百分之五十以上的是被剥夺的。与此相反,当雌蝇也处于一个更能够接受雄性求偶的状态时,“它的睡眠实际上是没有受到影响的,反而有一点点的增加”,潘玉峰说。


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?潘玉峰(右四)与实验室成员




2发现睡眠与求偶相互作用的神经机制



有了这些实验基础之后,最基本的问题已经有了答案:果蝇的睡眠行为可能影响求偶行为,求偶行为也可能影响睡眠行为,同时它们之间存在性别差异。

 

为什么出现这种情况?这是潘玉峰和同事接下来要解决的问题。

 

他们发现,当雄蝇的睡眠被剥夺后,P1神经元的活性也是下降的,而P1神经元的活性直接与求偶行为正相关。研究人员认为,这也是雄蝇在缺少睡眠的情况下求偶行为下降的一个直接证据和原因。“而雌蝇身上没有P1神经元,因此可能在神经环路上并没有被睡眠的需求所调控”,潘玉峰说。

 

研究进一步发现,当雄蝇脑内促进求偶的神经元P1被激活时,神经元DN1的活性增加。DN1是一种节律神经元,能够在一定程度上抑制睡眠。当研究人员激活P1的同时抑制DN1的活性时,雄性的睡眠时间得到较大的恢复。

 

“P1在求偶的环路里,DN1在睡眠的环路里,它们之间发生了一个沟通,而且有趣的是,这一沟通是两者相互激活,P1在一定程度上激活DN1,DN1反过来又一定程度上激活P1”,潘玉峰说。

 

他将这一过程称为“一种正向的反馈”,“可能会有非常重要的生理学意义”。

 

“比如说,我突然之间被异性吸引,这种兴奋不是一瞬而过的,可能会在脑袋里反复回荡一段时间。或者说,突然因为一个事情惊醒,这个惊醒的状态也会持续一段时间”,而正向的反馈“可能是这些现象背后的一个机制”,潘玉峰解释说。

 

“P1是通过释放乙酰胆碱这样一个神经递质来作用于下游的神经元的,而DN1也释放一种叫做DH31的神经肽,通过释放这个神经肽起到抑制睡眠的作用”,潘玉峰说。

 

不过,这两类神经元通过什么样的介质实现沟通,如何相互反馈,仍然未知。




3雌雄果蝇的性别差异



潘玉峰和同事的实验结果表明,在果蝇睡眠和求偶行为相互影响的研究中,雌性和雄性存在显著差异。

 

潘玉峰介绍,果蝇的性别发育主要受到基因doublesex调控,而两性行为则受到doublesexfruitless的共同调控。顾名思义,doublesex就是双性,当该基因突变时,果蝇就会发育为兼具雌雄性征的状态;fruitless就是不育的,当雄性缺少这个基因后,雄蝇就丧失了求偶能力,导致不育。

 

那么这两个基因是不是也对睡眠有影响,调控了雌雄的睡眠差异呢?研究人员最后发现,雌蝇与雄蝇的睡眠差异确实受到这两个基因调控。


fruitless促进雄性的睡眠,不影响雌性;而doublesex抑制雌性的睡眠,不影响雄性。两者共同调控了睡眠的两性差异。”潘玉峰解释说。


当然,在高等动物中,性与睡眠的关系还有待更多的研究。性,还是睡?这是个问题 | 前沿

 

参考文献:


Dandan Chen, Divya Sitaraman, Nan Chen, Xin Jin, Caihong Han, Jie Chen, Mengshi Sun, Bruce S. Baker, Michael N. Nitabach, Yufeng Pan. Genetic and neuronal mechanisms governing the sex-specific interaction between sleep and sexual behaviors in Drosophila. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-00087-5


制版编辑:斯嘉丽


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