ハーバード大学医学部の明るく暖かい部屋にある一連のチューブの中で、数百匹のショウジョウバエが夜更かししています。彼らの誰もが眠ってから何日も経ちました:彼らの家を揺るがす絶え間ない振動は休むことを妨げ、休息のためにチューブのキャップにしがみつくかもしれません.それほど遠くないところに、自分のチューブの中に他の眠れないハエが住んでおり、永遠の日に委ねられたものの穏やかな粘り強さで生きています。脳内の特定のニューロンに遺伝子を微調整することで、生きている限り覚醒し続けます。
彼らは長生きしません。揺さぶられたハエと操作されたハエはどちらもすぐに死にます。何日も眠れずに過ごした後、ハエの数は激減し、そして墜落します。チューブが空になります。ライトが点灯します。
私たちは皆、最高の状態でいるために睡眠が必要であることを知っています.しかし、深刻な睡眠不足には、より深刻で直接的な影響があります。完全に睡眠を奪われた動物は死亡します。しかし科学者たちは、なぜ睡眠不足が死に至るのかを正確に言うのは奇妙に難しいと感じています.
睡眠は主に神経学的現象と見なされていますが、奪われた生き物が死ぬと、神経系以外の体に不可解なほど多様な障害が発生します.人間や実験動物の睡眠不足は、慢性的な場合、心臓病、高血圧、肥満、糖尿病などの健康問題を引き起こします。しかし、これらの条件は、数日または数週間で 100% 睡眠を奪われた生き物を殺すものではありません.
睡眠なしでは死に至らしめる、睡眠の役割とは?その質問に答えることで、そもそも睡眠が必要な理由を説明できるでしょうか?ハーバード大学医学部のドラガナ・ログリャの研究室にあるインキュベーターの淡い光の下で、彼女が答えを追い求めている間、眠れぬハエが生きたり死んだりしています。
今年の冬の寒い朝、ログリャはオフィスでタブレットに寄りかかり、短く刈り上げた黒髪がエルフの強烈な顔を縁取り、数字をめくって彼女の結論のいくつかを説明しました。 Rogulja は神経科学者であり、訓練を受けた発生生物学者ですが、睡眠不足の最も基本的な影響が脳から始まるとは確信していません。 「どこからでも来る可能性があります」と彼女は言いましたが、ほとんどの人が期待しているようには見えないかもしれません.
彼女はその直感を裏付ける調査結果を持っています。ジャーナル Cell に本日掲載 、彼女と彼女の同僚は、ハエが不眠で死ぬと、脳ではなく腸で致命的な変化が起こるという証拠を提供しています.ハエの小腸の藍色の迷路は、顕微鏡写真で燃えるようなフクシアで光り、DNA を破壊し、細胞損傷を引き起こす分子の不吉な蓄積を裏切っています。分子は、睡眠不足が始まるとすぐに現れ、他の警告サインの前に現れます。ハエが再び眠ることが許されると、バラ色の花は消えてしまいます。驚くべきことに、これらの分子を中和する抗酸化物質をハエに与えれば、ハエが二度と眠らなくても問題ありません。彼らは、休んでいる兄弟たちと同じくらい長生きします。
この結果は、おそらく他の効果のネットワークの根底にある睡眠の非常に基本的な仕事の 1 つが、酸化という古代の生化学的プロセスを調節することであることを示唆しています。研究者は、睡眠は単に神経科学の領域ではなく、動物界を結び付ける生化学に深く結びついているものであることを暗示しています.
飢餓よりも致命的
完全な睡眠不足を調査する最初の研究は、マニアックな性質を持っていました。 1894 年にローマで、ロシアの生化学者であるマリア ミハイロフナ マナセイナは、国際医学会議で 10 匹の子犬を使った実験についてプレゼンテーションを行いました。彼女と研究室のアシスタントは、犬を目覚めさせ、1 日 24 時間絶え間なく動かしていました。約5日以内に、すべての子犬が死亡しました。睡眠不足は飢餓よりもはるかに早く子犬を死に至らしめるようで、彼女は次のように報告しています。
剖検により、子犬の組織、特に脳の修復が不十分であることが明らかになりました。脳は、出血、血管の損傷、その他のぞっとするような特徴に満ちていました。睡眠は無駄な習慣ではない、とマナセイナは結論づけた。脳の健康に大きな影響を与えます。
さらに終日、徹夜の犬の散歩が続きました。 1898 年、イタリアの研究者であるランベルト ダディは、睡眠不足の犬の脳の詳細な図を発表しました。彼は、他のストレッサーに直面した犬に見られるものと同様に、脳の明らかな変性損傷を報告しました。同じ頃、精神科医のセザール・アゴスティーニは、犬が横になって寝ようとするたびに恐ろしくジャラジャラと鳴るベルが装備されたケージに犬を入れていました.1920年代に日本の研究者は、釘をちりばめたケージで同様のことをしました.
一貫した残虐行為は別として、これらの研究には同様の弱点がありました。有効なコントロールがありませんでした。犬は死んでいて、その組織は異常に見えましたが、それは本当に眠っていなかったからでしょうか?それとも、ノンストップの散歩や刺激は本質的にストレスが多いからですか?不眠の影響を、死に至るまで足元にとどめておくことから切り離すことは、不可能に思えました。
ターンテーブル ケージ
科学者が真剣にこの問題に立ち返るまでには、何十年もかかりました。 1980年代、ナルコレプシーに関する先駆的な研究で有名なシカゴ大学の睡眠研究者アラン・レヒトシャッフェンは、過度の刺激の影響と不眠の影響を分離できる実験を計画し始めました。彼は、水の上に吊り下げられたターンテーブルの形をしたネズミのケージを考案しました。仕切りが真ん中を走っていたので、動物はその下のターンテーブルの床が自由に回転している間、どちらの側にも住むことができました.実験者はこの装置に 2 匹のネズミを入れ、そのうちの 1 匹は睡眠を拒否する運命にあった。そのラットが休もうとするたびに、科学者はテーブルを回転させ、2 匹のラットを目覚めさせ、時には水の中に押し込みました。
この設定により、両方のラットが同じ頻度で水に落ちたにもかかわらず、対照ラットは、ラットが睡眠を拒否したときにいつでもウィンクをキャッチできることが保証されました.実際、対照群のラットは通常の約 70% の睡眠をとり、軽度の睡眠不足にとどまりました。不運な実験用ラットは 9% 未満で、ほぼ完全な睡眠損失でした。
ラットの両方のセットは、同じ回数邪魔されました。両方とも、水に落ちてよじ登らなければならないというストレスに苦しんでいました。しかし、深刻な睡眠不足のラットだけが減少し始めました。彼らの毛皮は荒れて乱れ、白から黄色に変わりました。彼らは皮膚に病変を発症しました。彼らは体重を減らしました。平均して約15日後に死亡した。 Rechtschaffen は、睡眠不足自体が実際に死亡したことを示す方法を発見しました。
これらの実験を行っている大学院生にとって、日々は長かった。 「研究室はアパートの建物にあったので、動物実験室の隣に寝室がありました」と、カリフォルニア大学アーバイン校の精神医学教授で、数年間レヒトシャッフェンと一緒に働いていたルース・ベンカは言いました。 「彼らは、24 時間監視できるように、動物が剥奪されている部屋の隣に寝室を持っていました。」
仕事は別の意味でも挑戦的でした。レヒトシャッフェンの後の大学院生の一人で、現在はセントルイスのワシントン大学の神経科学教授であるポール・ショーは、次のように述べています。 「実験の最後の 7 日間、あなたはこの雲を頭上に置いて作業しています。」彼のラットが死から 1 日か 2 日経ったとき、実験プロトコルではラットを眠らせて脳波 (EEG) を観察するよう求めました。ショーは、動物が待ち望んでいた眠りを告げるモニターが生命力で爆発したとき、肩から体重が落ちるのを感じたことを思い出します。 「今日まで、私はそれを見ることができます」と彼は言い、脳波の読み出しについて話しました。 「額縁に入れて壁に飾っても、毎回幸せになれます。」
しかし、その作業はスリリングでもありました。 「それを行うには、結果を信じなければなりません。他に方法はありません」とショーは言いました。彼は、これらの実験のパイオニアである学生が学位を取得して去った後に研究室に到着しましたが、会議で彼らの話を聞いて、興奮を思い出しました。 「誰も博士号を取得したくありませんでした」と彼は回想しました。なぜなら、滞在できれば、「明日は睡眠の機能を発見できると誰もが思っていたからです。」
紛らわしい死因
Rechtschaffen の実験的成功により、科学者は最終的に睡眠不足がどのように死をもたらすかを知ることができたはずであり、睡眠が不可欠である理由についてより大きな洞察につながった可能性があります。しかし、研究者が動物の剖検を行ったとき、彼らが見つけたものはほとんど混乱を助長した.対照ラットと睡眠不足で死亡したラットとの間に一貫した違いはほとんどなく、何が彼らを殺したのかの兆候はありませんでした.剥奪されたラットはやせ細り、副腎が肥大していたが、それだけだった。 「解剖学的死因は特定されなかった」と研究者は結論付けた.
動物の行動を観察すると、さらに興味深いことがわかりました。ウィスコンシン医科大学の医学と神経生物学の教授であるキャロル・エバーソンは、次のように述べています。レヒトシャッフェンの大学院生。 「検出できる障害があるかどうかを調べるために、あらゆる種類の代謝研究を行いました。」
しかし、睡眠の分野では、睡眠の最も基本的な機能に関する答えは脳にあるという強い思いがありました。ハーバード大学医学部の著名な睡眠研究者であるジョン アラン ホブソンは、Nature に論文を発表しました。 タイトルは「睡眠は脳の、脳による、脳のためのもの」。 Shaw が思い出したように、「これは睡眠コミュニティ全体の時代精神を捉えたものです。」
実際、今日の睡眠研究の圧倒的な優位性は、いまだに脳や認知障害などのテーマに集中しています。睡眠不足は人間の代謝を変化させます — 糖尿病やメタボリック シンドロームとの関連があります — しかし、公衆衛生の研究者だけがこの問題に関心を持っていることがよくあります。睡眠の基本的な目的を理解しようとする人は、代謝やその他の化学プロセスに答えを求めることはめったにありません.
活性酸素種
睡眠の調節に関与するニューロンは、Rogulja の研究の焦点です。しかし、睡眠不足が循環、消化、免疫系、代謝を損なうという事実は、これらが神経学的問題の下流の影響なのか、それとも独立したものなのかに興味を持った. 「脳だけの問題ではないようです」と彼女は言いました。
彼女は、レヒトシャッフェンの実験 — 「真の古典」 — について知っていました。完全な睡眠損失が死亡することが確立されると、剥奪を使用して睡眠の目的を研究することは道に迷いました.しかし、その間の数十年で、ショウジョウバエは睡眠分野の主要なモデル生物になりました。その遺伝学は広く理解されており、操作が容易であり、実験室で維持するのに安価であるためです。ハエで最初に行われた多くの睡眠の発見は、哺乳類で確認されています。証明された被験者としてのハエの台頭により、Rogulja が終末期の睡眠不足に興味を持つようになったとき、研究するのはもっともらしいことのように思えました.
2016 年にポスドク研究員の Alexandra Vaccaro が Rogulja の研究室に到着したとき、2 人はある計画を思いつきました。まず、他の研究所から、特定のニューロンに温度感受性チャネルを持つように遺伝子操作されたハエを入手しました。摂氏28度を超えると、チャネルが開き、開いたままになり、ニューロンが活性化され、ハエが目覚めたままになります.水路が閉鎖されると、ハエは通常の 110 日間の寿命を享受しました。チャネルが開くと、わずか 10 日ほどで完全な睡眠不足で死亡し始め、20 日以内に全員が死亡しました。
Vaccaro がテストを実行すると、興味深いパターンが浮かび上がりました。彼女がチャネルを閉じて 10 日目にハエを眠らせた場合、ハエは回復し、対照と同じくらい長く生きました。しかし、5 日か 10 日後に再び睡眠を奪うと、彼らは死亡した。すぐに死なずに再び睡眠不足になるまで、通常の睡眠で丸 15 日間かかりました。
Vaccaro がさまざまなレベルの剥奪でハエを解剖したところ、1 つの非常に顕著な例外を除いて、それらの組織はすべて無傷のように見えました。それらの腸は活性酸素種 (ROS) で厚く、予備の電子を持つ酸素原子を持つ分子でした。一部の ROS は、生物の呼吸、代謝、免疫防御の通常の過程で、特定の機能のために、また副産物として生成されます。しかし、ROS が抗酸化酵素によって一掃されない場合、酸素のバランスが崩れると、DNA、タンパク質、脂質から電子が引き離されるため、非常に危険になります。実際、ROS がハエの睡眠不足の 1 週間後に現れた後、酸化的損傷のマーカーが急上昇しました。これは、細胞が危機に瀕していることを示しています。
ROSレベルは剥奪の10日目にピークに達しました。ハエが通常の睡眠を開始することを許可された場合、ROS レベルが再びベースラインに近づくまでに約 15 日かかりました。これは、ハエが新たな欠乏に耐えることができるようになるまでにかかった時間と同じです。
Rogulja と Vaccaro は、プロジェクトを開始してからわずか数か月で、これほど明確な結果が得られるとは予想していませんでした。彼らがすぐに懐疑的になったことは非常に簡単にわかりました。 Rogulja が Pew Biomedical Scholars の会議で予備データを示したとき、彼らの興奮は彼女を少し不安にさせました。 「決してそんなことはありません」と彼女は言い、調査結果に慎重になることを好みました.
その結果、過去 3 年間、Vaccaro と Rogulja は、ポスドク研究者の Yosef Kaplan Dor とともに、酸化と睡眠不足の間のこの明白な関係に穴を開けようと取り組んできました。彼らは、より伝統的な方法でハエの睡眠を奪い、ハエの入ったチューブを2秒ごとに振って、ROSのレベルが睡眠損失のレベルと相関しているかどうかを確認しました。彼らがやった。チームは、睡眠または覚醒を促進する突然変異を持つハエを調べました。睡眠不足のハエは腸内に ROS を持っていました。逆に、睡眠不足に耐えることが知られている変異ハエの系統の腸には ROS は現れませんでした。
プロジェクトの最も奇妙で最もエキサイティングな時期は、研究者が ROS による酸化がハエを殺しているのであれば、おそらくハエに抗酸化剤を与えるべきだと判断したときかもしれません。ばかげた健康食品の実験のように聞こえるかもしれませんが、Vaccaro はハエで働くことが知られている抗酸化物質を探し出し、それをハエに与えました。研究者が驚いたことに、致命的な睡眠不足のハエは、通常のハエの寿命に達しました。彼らが腸内の抗酸化酵素のレベルを上げたときも同じことが起こりました（しかし、神経系でそれを行ったときはそうではありませんでした）.
「これ以上科学を楽しむことは想像できません」とその夏のログリャは言いました。 「私の家族全員、そして研究室全体が、抗酸化物質を与え始めたら、朝に集まって、『彼らは生きている!』と言いました。彼らは生きているだけでなく、見た目も良かったのです。」
Vaccaro と研究室の技術者である南原圭司は、ハーバード大学の Michael Greenberg の研究室の共同研究者と共に、ハエの実験の簡素化されたバージョンをマウスで実行しました。彼らは、動物をやさしく押して移動させる回転バーを備えたケージで、最大5日間マウスを目覚めさせた.動物の内臓に ROS の明らかな輝きが現れました。
腸レベルの問題
Shaw にとって、チームの新しい論文は非常に興味深いものです。 「彼らが遺伝学の力を利用したのを見るのは非常にエキサイティングです」と彼は言いました. 「私たちは、ハエが死ぬまで（機械的に）睡眠を奪うプロジェクト全体をあきらめました。なぜなら、ハエは長くて難しい実験だからです」そして、ストレスを制御するのは難しい.この研究は睡眠不足の遺伝的手段と機械的手段の両方を使用しているため、その問題を回避しています. 「素晴らしい、素晴らしい。 …とても感銘を受けました」と彼は言いました。 「とてもよくコントロールされていると思いました。」
調査結果が何を意味するのかは、まだ調査する必要があります。彼らは、特に腸内での身体の酸化調節にとって睡眠が極めて重要であり、これが身体に広範な影響を与える可能性が高いことを示唆している. Rogulja と Vaccaro は新しい論文で次のように書いています。彼らが研究したハエでは、抗酸化物質が唯一の手段でした.
彼らの調査結果は、酸化と睡眠不足を関連付けるこれまでの一連の報告、特にレヒトシャッフェンの研究室で代謝に関心を持つようになったエバーソンの報告と一致しています。エバーソンは早い段階で、脳は睡眠の調節因子であるが、睡眠には神経学以上のものがあると感じていました。彼女は、睡眠不足のラットで、無菌であるはずの組織に免疫不全とバクテリアの兆候が見られたことを発見しました。その後、2016 年に、彼女と彼女の同僚は、睡眠不足のラットの肝臓、肺、小腸で酸化を発見したと報告しました。炎症のマーカーは、睡眠不足の後に組織に浮遊していることがよくあるとエバーソン氏は述べていますが、その原因は明らかにされていません.体のどこかで酸化が制御不能になると、結果として生じる細胞損傷の危機がその促進を引き起こす可能性があります.
エバーソンはまた、睡眠不足のラットの腸が漏れやすくなり、動物の血流にバクテリアを放出することも発見しました.しかし、Rogulja と彼女の同僚が見たところ、ハエの内臓は漏れていないようです。 ROS は、彼らが調べた他のどの組織でも上昇しているようには見えませんでした。また、ハエは睡眠不足のときにより多く食べることもありましたが、それにもかかわらず、ハエの腸内 ROS レベルは同じように見えました.
ラットとハエの酸化に関するこれらすべてのパズルのピースがどのように組み合わされるかは不明であり、インペリアル カレッジ ロンドンの睡眠研究者である Giorgio Gilestro は、これらの実験は ROS がハエを殺していることを明らかにしているが、必ずしもそうではないことを指摘しています。同じことがネズミを殺したことを意味します。睡眠を失った人間を対象とした小規模な研究では、腸内に生息するバクテリアである腸内微生物叢の構成が、睡眠不足の後に変化することが示されました。これは、睡眠と腸との間の別の関連性を引き出す予備的な発見であるとは言え、興味深いものです。
それでも、おそらく最も差し迫った問題は、ROS がどこから来て、なぜ腸内で発生するのか誰も知らないということです.代謝またはその他のどのプロセスがそれらを生成していますか?睡眠不足は ROS の過剰生産を引き起こしますか?それとも、通常はそれらをクリアするプロセスに干渉しますか?では、なぜ ROS が睡眠に結びつくのでしょうか? Rogulja は、これらの疑問のいくつかの側面を調査するための実験を計画しています。
これらすべての背後には、睡眠が体に与える驚くべき、不可解な幅の広さがあります。学習、代謝、記憶、およびその他の無数の機能やシステムが影響を受けるという事実は、ROS の存在と同じくらい基本的な変化を非常に興味深いものにします。しかし、ROS が睡眠不足の致死性の背後にあるとしても、たとえば睡眠の認知効果が同じ原因から来ているという証拠はまだありません。また、抗酸化物質がハエの早死を防いだとしても、睡眠の他の機能には影響しないかもしれません。
決して眠らないハエとその光る内臓は、睡眠が心と脳の単なる機能ではなく、深く全身の経験であることを思い出させてくれます。彼らの死の中に、なぜ不眠が人を殺すのか、また睡眠が体全体の異なるシステムを結びつけるために何をしているのかについて、いくつかの答えが隠されているかもしれません。 Shaw は、Rogulja の研究室で次に何が起こるかを知りたがっています。 「これは非常に重要な問題です」と彼は言いました。
修正:2020 年 6 月 10 日
Dragana Rogulja は元々、トレーニングによって発達神経科学者として記述されていました。彼女の博士号は発生生物学です。
レヒトシャッフェン研究所でのターンテーブル実験の説明は、正確を期すために修正されました。
