如果你走进附近的药店，询问有没有帮助睡眠的补充剂，店员可能会给你推荐一瓶标有“褪黑素”的产品。作为助眠剂使用的褪黑素补充剂，有轶事证据乃至一些可靠研究支持。然而，我们的身体也会自然生成褪黑素；直到加州理工学院最近一项使用斑马鱼的研究，人们才知道——甚至此前并不确定——这种褪黑素是否有助于自然睡眠，以及它如何发挥作用。新研究表明，即使不服用补充剂，人体自然产生的褪黑素也可能帮助我们入睡并维持睡眠。
这项研究于3月5日刊登在期刊 《Neuron》的当期，并在线发表。
“我们第一次告诉别人正在检验褪黑素是否参与睡眠时，对方往往会说：‘这不是早就知道了吗？’”生物学助理教授 David Prober说。“考虑到报纸上的文章和互联网上可以买到的褪黑素产品，这种反应可以理解。不过，虽然一些科学研究表明，补充褪黑素有助于促进睡眠，但许多研究并未观察到这一点，因此褪黑素补充剂的效果仍有争议。更重要的是，这些研究并不能告诉你自然产生的褪黑素通常在身体里发挥什么作用。”
开始感到疲倦时，有好几种因素在起作用。人们认为睡眠受两种机制调节：一种是稳态机制，会响应身体内部的睡眠信号；另一种是昼夜节律机制，会响应黑暗和光照等外部信号，从而标示适合睡眠和清醒的时间。
多年来，研究人员一直知道褪黑素的生成受生物钟调节，而且动物夜间产生的这种激素比白天多。然而，仅凭这一事实还不足以证明褪黑素能促进睡眠。例如，夜行动物白天睡觉、夜间活动，但它们夜间产生的褪黑素也最多。
为了最终确定这种激素在睡眠中实际发挥什么作用， Prober及其在加州理工学院的团队 设计了一项实验，使用斑马鱼幼体进行研究。斑马鱼体型小、基因组特征明确，因此常用于研究。和人类一样，斑马鱼也是昼行性动物——白天清醒、夜间睡觉——并在夜间产生褪黑素。
但究竟如何判断一条年轻斑马鱼是否睡着了？可以依据一些行为标准，包括斑马鱼对刺激作出反应所需的时间，例如敲击鱼缸。“根据这些标准，我们发现，如果斑马鱼幼体一分钟或更长时间不动，它们就处于类似睡眠的状态，”Prober说。
为了检验自然产生的褪黑素对睡眠的影响，研究人员首先比较了正常或“野生型”斑马鱼幼体与无法产生这种激素的斑马鱼幼体的睡眠模式。后者是因为一种名为 aanat2的基因发生突变。研究人员发现，带有这种突变的鱼睡眠时间只有正常鱼的一半。正常斑马鱼在“熄灯”约10分钟后开始入睡——这与人类入睡所需时间大致相同——而 aanat2 突变鱼所需时间约为其两倍。
“这个结果令人惊讶，因为它表明幼体夜间获得的睡眠中，近一半是褪黑素作用的结果，”Prober说。“这说明褪黑素通常在睡眠中发挥重要作用；要入睡并保持睡眠，都需要这种天然褪黑素。”
在人类和斑马鱼体内，褪黑素都由大脑中一个称为松果体的部位产生。为了确认突变导致的睡眠减少确实源于缺乏褪黑素，研究人员接下来使用一种药物，专门杀死松果体细胞，从而停止激素生成。接受药物处理的鱼睡眠减少程度与 aanat2突变鱼相同。停止药物处理后，松果体细胞得以再生，鱼也恢复了正常的睡眠模式。
与许多其他生物和行为过程一样，睡眠模式也受生物钟调节。在生物体内，生物钟会使这些过程与环境中的每日变化同步，例如日光以及夜间的黑暗。然而，尽管人们对生物钟的运作方式已有很多了解，却不知道生物钟如何调节睡眠。研究人员既然已经确定褪黑素参与促进自然睡眠，接下来便探究褪黑素是否介导睡眠的昼夜节律调节。
研究人员首先让野生型和 aanat2 突变斑马鱼幼体处于正常的明暗周期中——先有14小时光照，再有10小时黑暗——以使它们的生物钟同步。随后，在幼体5日龄时，他们将两组都转移到持续黑暗的环境中。在这种“自由运行”条件下，即使环境不再提供每日明暗信号，生物钟仍会继续运作。正如预期，野生型鱼保持了规律的昼夜节律睡眠周期。然而，缺乏褪黑素的 aanat2 突变鱼则未表现出周期性睡眠模式。
“这确实令人惊讶，”Prober说。“多年来，人们一直在啮齿动物身上寻找昼夜节律调节睡眠所必需的因素，并发现了其他一些候选分子。这些分子和褪黑素一样，受生物钟调节，作为补充剂给予时也能诱导睡眠。然而，缺少这些因素的突变体仍有正常的昼夜节律睡眠周期，”Prober说。“一种看法是，这些分子可能共同发挥作用，必须同时突变多个基因才能看到影响。但我们发现，去除一种分子——褪黑素——就足以改变整个过程。这是少有的、出乎意料地明确的结果。”
发现褪黑素是睡眠昼夜节律调节所必需的之后，Prober接下来想探究它如何发挥作用。为此，Prober及其同事研究了一种名为腺苷的神经调节物质——它是促进睡眠的稳态机制的一部分。动物在一天中不断消耗能量时，腺苷会在大脑中积累，使动物越来越困；这种睡眠压力通过睡眠得到缓解。
研究人员用能够激活腺苷信号传导的药物处理野生型鱼和缺乏褪黑素的 aanat2 突变鱼。他们发现，这些药物对野生型鱼没有影响，却使 aanat2 突变鱼恢复了正常的睡眠时长。这一结果表明，褪黑素可能部分通过启动腺苷来促进睡眠，从而为调节睡眠的稳态过程与昼夜节律过程之间提供了人们长期寻找的联系。
Prober及其同事提出假说：生物钟驱动褪黑素生成，褪黑素随后通过尚待确定的机制促进睡眠，同时刺激腺苷生成，进而通过稳态途径促进睡眠。Prober说，虽然还需要更多实验来证实这一模型，但初步结果也可能为理解人类睡眠提供启示。
“斑马鱼是脊椎动物，它们的大脑在结构上与我们相似。我们和其他研究者检测过的所有标志物，在斑马鱼大脑中表达的区域与哺乳动物大脑中的相同，”他说。“斑马鱼睡眠和人类睡眠可能在某些方面有所不同，但我们所有的药理学和遗传学数据都表明，同样的因素通过同样的机制，对斑马鱼和哺乳动物的睡眠产生相似影响。”
Prober关于睡眠昼夜节律调节的研究，在理念上也在实际工作场所上承接了 已故加州理工学院遗传学家Seymour Benzer的工作。Benzer开创了生物钟的遗传学研究。在果蝇实验中，Benzer和他的研究生、已故的Ronald Konopka（博士 ’72）发现了首批昼夜节律突变体。Benzer于2007年去世；Prober于2009年来到加州理工学院时，学校将Benzer以前的办公室和实验室空间提供给了他。“Seymour Benzer关于果蝇的研究开启了我们对分子昼夜节律钟的认识，”Prober说，“因此能在这个空间工作真的很特别，而我们在他的工作基础上迈出下一步，也令人欣慰。”
Prober这项研究的结果发表于期刊 《Neuron》 ，论文题为 《褪黑素是睡眠昼夜节律调节所必需的》。 论文的其他加州理工学院合著者包括研究生Avni Gandhi，以及博士后学者Eric Mosser和Grigorios Oikonomou。这项工作获得美国国立卫生研究院、Mallinckrodt基金会、Rita Allen基金会、脑与行为研究基金会的资助；Mosser还获得Della Martin博士后奖学金。
本文由 加州理工学院合作发布。发布本文并不代表世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Jessica Stoller-Conrad是加州理工学院的科学撰稿人。
图片：海地一名女孩在教室里睡着了。路透社/Kena Betancur
