科學好故事|人體極限：為什麼不睡覺會導致死亡？
來源：Quanta Magazine
作者：維羅妮克·格林伍德（Veronique Greenwood）
長時間不睡覺會導致動物死亡，但是為什麼科學家卻說不出確切原因，最新的研究表明，這個問題的答案隱藏在一個我們意想不到的身體部位。
犧牲睡眠時間值得嗎？科學家正在逐漸揭開睡眠缺失致死的機制
在哈佛醫學院一間明亮溫暖的房間里，數百隻果蠅正在一整排的試管里「熬夜」。它們已經有好幾天沒有睡過覺了，因為這些試管一直在不停地震動，讓它們無法休息，只能盡量貼在試管的蓋子上緩一緩。在不遠處的另一些試管中，也住著許多從不睡覺的果蠅。研究者對它們大腦中某些神經元的基因進行了微調，使它們在活著的時候一直保持清醒。
當然，這些果蠅的壽命都不長。無論是時刻震動的果蠅，還是經過基因改造的果蠅，最終都很快死亡。事實上，基因改造果蠅的存活時間只有休息良好的對照組的一半。經過連續數天的睡眠剝奪，果蠅的數量急劇下降，直到全部死亡。
眾所周知，我們需要睡眠來保持最佳的身體和精神狀態，而嚴重的睡眠缺失會帶來更嚴重且更直接的影響：實驗中被完全剝奪睡眠的動物很快就死了。然而，科學家發現，睡眠不足致死的問題並沒有想像的那麼簡單。
哈佛醫學院神經生物學助理教授德拉迦納·羅古爾加推測，睡眠剝奪的最根本影響始於大腦之外，「可能來自任何地方」。
睡眠從根本上可以視為一種神經系統現象，然而，當睡眠被剝奪的動物死亡時，它們身體中神經系統以外的部分會出現一系列令人困惑的功能問題。人類和實驗動物如果長期睡眠不足，就會隨著時間的推移而出現一系列健康問題，比如心臟病、高血壓、肥胖和糖尿病等等。但其實，對於那些在幾天或幾周內完全沒有睡覺的動物，這些疾病並不是它們死亡的原因。
睡眠有什麼重要作用，以至於剝奪睡眠就會導致死亡？這個問題的答案能否解釋我們為什麼需要睡眠？
哈佛醫學院的研究者德拉迦納試圖找到這些問題的答案。在她的實驗室中，蒼白的光線照射著培養箱，「無眠的果蠅」就在試管中不斷地從生存走向死亡。
冬天的一個寒冷早晨，羅古爾加來到辦公室。她靠在平板電腦前，開始用圖表來解釋實驗中的一些結論。儘管羅古爾加是一位訓練有素的發育神經學家，但她並不認為睡眠剝奪的最根本影響始於大腦。「它可能來自任何地方，」她說，而且看起來可能不像大多數人預計的那樣。
研究人員推測，睡眠剝奪之所以導致死亡，根源很可能就是一類名為「活性氧」的高度活性分子。在睡眠剝奪的動物腸道中，可以發現活性氧水平的顯著提高
羅古爾加取得了一些支持自己直覺的發現。在近日的《細胞》（Cell）雜誌上，她和同事提供了證據，表明當果蠅因睡眠剝奪而死亡時，致命的變化並非發生在大腦中，而是出現於腸道。顯微圖片顯示，靛藍色的果蠅小腸中出現了明亮的紫紅色，揭示出一種能破壞DNA並造成細胞損傷的分子正在累積。在睡眠剝奪開始後不久，這些分子就沒有任何預兆地出現了；如果此時讓果蠅睡覺，則紫紅色會慢慢消退。值得注意的是，如果果蠅攝入了能夠中和這些分子的抗氧化劑，那麼即使它們不再睡覺也沒有關係。它們的壽命和那些得到休息的同類一樣長。
這些結果表明，睡眠最基本的功能之一或許也是其他一系列功能的基礎，便是調節古老的生物氧化反應。在這一過程中，單個電子的得失決定了分子的功能，影響了從呼吸到新陳代謝等一切活動。研究人員指出，睡眠並不僅僅是神經科學領域的問題，而是更深入地與生物化學聯繫在一起，並串聯起了整個動物王國。
比飢餓更致命
最初研究完全睡眠剝奪的實驗帶有某種瘋狂的性質。
1894年，俄羅斯生化學家瑪麗亞在羅馬的國際醫學大會上發表了一份報告，介紹了她在10隻小狗身上所做的實驗。她和助手讓這些狗一天24小時不睡覺，並且不停地活動；5天之內，所有的小狗都死了。她報告稱，睡眠剝奪比飢餓更容易導致幼犬死亡，「對幼犬來說，完全剝奪睡眠比完全剝奪食物更加致命」。
屍檢結果顯示，這些小狗的組織修復情況相當糟糕，尤其是大腦，到處都是出血、血管受損和其他可怕特徵。馬納西納總結道，睡眠並不是一種無用的習慣，它對大腦健康有著深遠的影響。
亞歷山德拉·瓦卡羅是羅古爾加實驗室的博士後研究員，她發現果蠅可以從嚴重的睡眠剝奪中恢復過來，並擁有正常的壽命。但是，在一段時間內，它們仍然非常容易因再次睡眠剝奪而死亡
在此之後，更多的研究者也開始用狗來進行睡眠剝奪實驗。1898年，義大利研究者蘭博托·達迪（Lamberto Daddi）發表了一份報告，對睡眠剝奪的狗的大腦進行了詳細繪圖。他報告稱，這些狗的大腦出現了明顯的退行性損傷，與它們面對其他壓力時出現的癥狀類似。大約在同一時期，精神病學家塞薩爾把狗關在一個裝有鈴鐺的籠子里，每當它們想躺下睡覺時，鈴鐺就會發出可怕的響聲。20世紀20年代，日本的研究人員用布滿釘子的籠子進行了類似的實驗。
除了都非常殘酷之外，這些實驗還有一個相似的缺陷：沒有設置有效的對照組。這些狗死後，它們的組織看起來很不正常，但這真的是因為它們沒有睡覺嗎？還是因為不停的行走和刺激本身給予的壓力？要把剝奪睡眠的後果與一直站立直到死亡的影響完全分開似乎是不可能的。
旋轉的籠子
科學家們花了幾十年的時間才重新嚴肅地對待這個問題。美國芝加哥大學的睡眠研究者艾倫因在嗜睡症方面的開創性工作而聞名於世，在20世紀80年代，他開始設計實驗，試圖將過度刺激與剝奪睡眠的影響區分開來。他設計了一個轉盤形狀的鼠籠，懸吊在水面上。籠子中間有一塊隔板，可以將大鼠放進其中任意一邊，而它們下方的轉盤可以自由旋轉。實驗人員將大鼠成對地放入這個裝置，對其中一隻大鼠完全剝奪睡眠：每當這隻大鼠想睡覺時，研究人員就旋轉轉盤，將兩隻大鼠都撞到水裡。
當研究人員用抗氧化劑抵消了睡眠剝奪果蠅體內積累的活性氧之後，這些果蠅的壽命恢復了正常。不過，現在還不清楚這一方法是否會削弱睡眠剝奪的其他影響
儘管兩隻大鼠都同樣頻繁地掉進水裡，但這樣的設置確保了當被剝奪睡眠的大鼠處於活動狀態時，對照組大鼠仍然可以打個盹兒。事實上，對照組大鼠的睡眠只有正常狀態的70%，受到了輕微的睡眠剝奪；而另一隻大鼠的睡眠時間不到正常狀態的9%，幾乎是完全的睡眠剝奪。
兩組大鼠被干擾的次數相同，都承受著掉入水中，又不得不游泳求生的壓力。但是，只有嚴重剝奪睡眠的大鼠開始衰弱。它們的毛變得又粗又亂，從白色變成了骯髒的黃色。它們的皮膚上出現了病變，體重也顯著減輕。在剝奪睡眠15天（平均值）後，這些大鼠紛紛死亡。里奇沙芬的這種方法證明了睡眠剝奪本身確實會導致死亡。
對於進行這些實驗的研究生來說，一天的時間十分漫長。「實驗室在一棟公寓樓里，你的卧室就挨著動物實驗室，」加州大學歐文分校的精神病學教授、曾與里奇沙芬合作過幾年的露絲·本卡（Ruth Benca）說，「他們的卧室就在那些動物被剝奪睡眠的房間旁邊，這樣他們就可以24小時監控。」
在其他方面，這項工作也頗具挑戰性。「讓動物經歷那樣的痛苦，在心理上這是非常、非常艱難的實驗，」里奇沙芬曾經的研究生、如今是聖路易斯華盛頓大學神經科學教授的保羅·肖（Paul Shaw）說道，「在實驗的最後7天里，這團烏雲會一直縈繞在你的心頭。」在距離大鼠死亡還有一兩天的時候，實驗方案要求讓這些大鼠睡覺並觀察它們的腦電圖。肖回憶道，當監視器中的讀數宣告大鼠進入了期待已久的睡眠時，他感到肩膀上的重擔卸了下來。「直到今天我還記憶猶新，」他在談到腦電圖讀數時說，「我可以把它裝在畫框里掛在牆上，每一次看到都能讓我開心。」
這項殘酷的工作同樣令人激動。「你必須相信這樣做會有結果。沒有別的辦法，」保羅·肖說道。他來到實驗室時，之前最先進行這些實驗的學生已經獲得學位並離開，但他仍然會在會議上聽到他們的故事，聽到他們追憶當年的興奮之情。「沒有人將拿到博士學位放在心裡，」他回憶道，因為他們都想著如果能留下來，「第二天可能就會發現睡眠的功能。」
混亂的死因
本來，里奇沙芬的實驗成功應該能讓科學家最終發現睡眠剝奪如何導致死亡，並對睡眠不可或缺的原因有更深入的了解。但是，當研究人員對大鼠進行屍檢時，他們發現大多數結果反而讓這個問題更增添了幾分困惑。對照組大鼠和死於睡眠剝奪的大鼠之間，幾乎沒有一致的顯著差異表明是什麼導致了它們的死亡。被剝奪睡眠的大鼠體重很輕，腎上腺腫大，「無法鑒定出解剖學上的死因」。
對動物行為的觀察揭示了一些更有意思的東西。「在這些精心控制的條件下，長期睡眠剝奪的動物會增加食物攝入，達到正常食量的兩到三倍，同時體重減輕，」里奇沙芬的研究生之一、威斯康星醫學院的醫學和神經生物學教授卡羅爾說，「我們做了各種各樣的代謝研究，試圖發現是否存在我們可以檢測到的損傷。」
然而，睡眠研究領域的研究者有一種強烈的預感，認為關於睡眠最基本功能的答案將在大腦中找到。當時，哈佛大學醫學院著名的睡眠研究者約翰·艾倫·霍布森（John Allan Hobson）剛剛在《自然》（Nature）雜誌上發表了一篇論文，題為《睡眠是大腦所有，由大腦支配，又為大腦所用》（Sleep is of the brain， by the brain and for the brain）。肖回憶道，「這抓住了整個睡眠研究領域的時代精神。」
事實上，如今絕大多數睡眠研究仍然集中在大腦和認知障礙等方面。睡眠不足確實會改變人體的新陳代謝——已發現這與糖尿病和代謝綜合症有關——但公共衛生研究者往往是唯一關心這一點的人，那些想要了解睡眠基本功能的研究者很少在新陳代謝或其他化學過程中尋求答案。
活性氧
參與調節睡眠的神經元是羅古爾加工作的重點，但睡眠不足會損害循環、消化、免疫系統和新陳代謝的事實讓她十分好奇。這些究竟是神經問題的下游影響，還是相互獨立的？「似乎不可能全是大腦的問題，」她說道。
她很了解里奇沙芬的實驗，並認為「非常經典」，但該實驗幾乎沒有後續研究。在完全睡眠剝奪導致死亡的觀點確立之後，研究者基本就不再採用剝奪睡眠的方式來研究睡眠的功能。然而，在隨後幾十年里，果蠅成為了睡眠領域的主要模式生物，因為它們的基因已經被研究得十分透徹，而且易於操作，在實驗室中保存的成本也不高。許多首先在果蠅身上發現的睡眠現象已經在哺乳動物身上得到了證實。於是，隨著果蠅作為實驗對象的普及，睡眠剝奪的影響似乎再次成為了一個很有前景的研究課題。
2016年，博士後研究員亞歷山德拉來到羅古爾加的實驗室，兩人想出了一個研究計劃。首先，她們從其他實驗室獲得經過基因改造、在某些神經元中具有對溫度敏感通道蛋白的果蠅。當溫度在28攝氏度以上時，這些通道蛋白會打開並保持開啟狀態，使神經元保持活躍，即讓果蠅保持清醒。在通道關閉的情況下，果蠅的正常壽命為110天；而隨著通道打開，果蠅在10天左右就會開始因完全的睡眠剝奪而死亡，並且在20天內全部死亡。
當瓦卡羅進行實驗時，有趣的模式出現了。如果在第10天關閉通道，讓果蠅睡覺，那它們就會恢復過來，壽命和對照組一樣長；但如果在5天或10天後再進行睡眠剝奪，果蠅就會死亡：無論它們在最初的睡眠剝奪中產生了什麼損傷，顯然都還沒有修復。在再次剝奪睡眠之前，只有先讓果蠅正常睡眠15天，才不至於使它們立即死亡。
瓦卡羅對不同剝奪睡眠程度的果蠅進行了解剖，發現它們的組織似乎都沒有受到損傷，除了一個非常明顯的例外：它們的內臟里都充滿了活性氧（reactive oxygen species，簡稱ROS）。這是一類具有高度化學反應活性的含氧分子。一些活性氧是生物體在正常的呼吸、代謝和免疫防禦過程中產生的，有時用於特定功能，有時作為副產物。但是，如果活性氧沒有被抗氧化酶清除，它們就會變得極其危險，因為不平衡的氧會將電子從DNA、蛋白質和脂類中剝離。事實上，在果蠅被剝奪睡眠一周後，活性氧就出現了，導致氧化損傷的標記物飆升，這是細胞處於危機的標誌。
活性氧水平在被睡眠剝奪的第10天達到頂峰。當果蠅開始正常睡眠後，它們的活性氧水平需要大約15天才能再次接近基線，這與果蠅能夠承受再次睡眠剝奪的時間相同。
羅古爾加和瓦卡羅沒有預料到在項目開始的短短几個月內就有了如此明確的結果。答案來得太容易了，這使她們立刻產生了懷疑。當羅古爾加在一次皮尤生物醫學學者會議上展示初步數據時，與會者的興奮讓她有點緊張。「從來從沒有這樣過，」她說。她更傾向於對研究結果保持謹慎。
因此，在過去的三年里，瓦卡羅、羅古爾加和博士後研究員約瑟夫一直在研究活性氧與睡眠剝奪之間的明顯聯繫。他們用一種更傳統的方法剝奪了果蠅的睡眠時間——每兩秒鐘搖動裝有果蠅的試管——然後檢查活性氧水平是否與睡眠剝奪水平相關。他們做到了。研究小組觀察了具有促進睡眠或清醒的基因突變的果蠅，其中剝奪睡眠的果蠅腸道內發現了活性氧；與此相反的是，耐受睡眠不足的突變果蠅的腸道中沒有出現活性氧。
這個項目中最奇怪、最激動人心的時刻到來了。研究人員認為，如果是活性氧的氧化作用殺死了果蠅，那他們也許應該給果蠅提供抗氧化劑。這聽起來像是一個滑稽的健康食品實驗，但瓦卡羅還是找到了已知對果蠅有效的抗氧化劑，然後餵給了剝奪睡眠的果蠅。令研究人員驚訝的是，這些果蠅的壽命恢復到了正常水平。當研究人員提高果蠅腸道內的抗氧化酶水平時，也發生了同樣的情況（但很明顯，當他們提高果蠅神經系統的抗氧化酶水平時，情況並非如此）。
「我無法想像在科學中還有什麼比這更快樂的，」羅古爾加在談到那個夏天時說，「在開始給它們服用這些抗氧化劑之後，我們全家，還有整個實驗室，都會在早上聚在一起，『它們還活著！』它們不僅活著，而且看起來很好。」
瓦卡羅和實驗室的技術人員以及哈佛大學邁克爾實驗室的合作者，在小鼠身上進行了一個簡化版的果蠅實驗。他們把小鼠關在一個裝有旋轉桿的籠子里，讓它們連續5天不睡覺。結果發現，這些小鼠的內臟中出現了活性氧的熒光。
腸道的問題
在保羅·肖看來，這個團隊新發表的論文非常有趣。「看到他們利用了遺傳學的力量，這非常令人興奮，」他說，「我們放棄了對果蠅進行（機械性）睡眠剝奪直到它們死去的研究計劃，因為這需要做許多漫長而艱難的實驗。」而且，實驗中很難對壓力因素進行控制。由於這項新研究同時用基因和機械手段進行睡眠剝奪，因此迴避了這個問題。「這太棒了，真的太棒了……我很佩服，」肖說，「我覺得控制得非常好。」
這些研究結果的意義還有待進一步探索。研究人員認為，睡眠對身體的氧化調節至關重要，尤其是在腸道內，而這一點可能會對身體產生廣泛的影響。正如羅古爾加等人在新論文中所寫的：「用單一手段就可以阻止死亡，這證明了幾乎所有主要身體機能的逐漸衰竭都源於一個共同的原因。」對於他們所研究的果蠅，抗氧化劑就是這唯一的手段。
這些研究結果也與此前一系列將氧化過程與睡眠不足聯繫起來的報道相吻合，尤其是卡羅爾·埃弗森所進行的研究。在里奇沙芬的實驗室工作時，埃弗森開始對新陳代謝感興趣。她很早就意識到，儘管大腦是睡眠的管理者，但睡眠不僅僅與神經科學有關。在睡眠剝奪的大鼠身上，她觀察到了免疫系統失效的跡象，並在本該無菌的組織中發現了細菌。2016年，她和同事報告稱，他們在睡眠剝奪的大鼠肝臟、肺和小腸中發現了氧化現象。埃弗森表示，在睡眠剝奪之後，經常發現組織中漂浮著炎症標誌物，但其來源一直不清楚。如果氧化過程在身體的某個地方失去控制，由此產生的細胞損傷就可能導致炎症反應。
埃弗森還發現，睡眠剝奪的大鼠會出現腸道滲漏，將細菌釋放到它們的血液中。但從羅古爾加及其同事的觀察來看，果蠅的腸道似乎並沒有滲漏。在他們檢查的其他組織中，活性氧水平似乎也沒有升高。儘管果蠅在睡眠剝奪期間有時會吃得更多，但它們腸道內的活性氧水平看起來並沒有變化。
目前尚不清楚大鼠和果蠅的實驗結果會如何整合起來。倫敦帝國理工學院的睡眠研究者喬治歐指出，儘管這些實驗表明活性氧會殺死果蠅，但這並不意味著活性氧也能殺死大鼠。一項針對睡眠不足人群的小型研究表明，腸道微生物群的組成會在睡眠不足後發生變化。這是一個有趣的初步發現，揭示了睡眠和腸道之間的另一種聯繫。
然而，或許最緊迫的問題是，我們仍不知道活性氧來自哪裡，以及為什麼會在腸道積聚。是什麼過程（代謝或其他過程）產生了活性氧？睡眠不足是否會導致活性氧的過度生成？抑或睡眠不足干擾了正常情況下清除活性氧的過程？為什麼活性氧與睡眠有關？羅古爾加計劃在未來的實驗中探究這些問題。
所有這一切的背後，是睡眠對身體的廣泛影響。學習、新陳代謝、記憶和無數其他功能和系統都受到睡眠的影響，而這些影響如果都源於基本的活性氧物質改變，那將非常有趣。但是，即使活性氧是睡眠缺失致死的原因之一，也沒有證據表明睡眠對認知的影響是基於同樣的機制。即便抗氧化劑能防止果蠅過早死亡，睡眠的其他功能也可能不會受到影響；或者即使受到影響，也可能是出於其他的原因。
這些睡眠剝奪的果蠅和它們發出熒光的腸道提醒我們，睡眠是一種全身性的體驗，而不僅僅是大腦與神經的功能。果蠅的死亡或許能夠提供睡眠缺失為什麼致死的答案，並解釋睡眠在連接身體各個不同系統方面所起的作用。保羅·肖對羅古爾加的實驗室接下來會發生什麼很感興趣。「這是一個非常重要的問題，」他說，「他們已經找到了解決這個問題的方法。」
目前，研究人員正在研究活性氧在腸道積聚並影響身體機能的上游生物途徑，他們也希望這項研究有助於未來開發出新的療法，以抵消睡眠缺失的負面影響。對許多人來說，睡眠不足是生活的一部分。「我們中有許多人都處於長期的睡眠剝奪狀態，即使我們知道熬夜不對，但仍會這麼做，」羅古爾加說，「我們相信，我們已經確定了一個核心問題，在解決這個問題之後，就能在不睡覺的情況存活，至少對果蠅如此。我們需要了解睡眠剝奪損傷身體的生物學機制，從而找到阻止這種傷害的方法。」（任天）
