なぜ睡眠が必要なのですか？科学者たちは長い間答えを探し求めてきましたが、多くの場合、睡眠とは何か、睡眠がどのように進化したか、睡眠がもたらすメリットについて、考えさせられるような謎しか明らかにしていません。このエピソードでは、著名な数学者であり、The Joy of Why の著者であり司会者でもあるスティーブン ストロガッツが登場します。 — 最近、睡眠不足がショウジョウバエの死を引き起こすことを発見した、ハーバード大学医学部の神経生物学の助教授であるドラガナ・ログリャに話を聞きます。それから彼は、テキサス A&M 大学の神経遺伝学者で、睡眠の進化の歴史について理解を深めるために洞窟魚を研究している Alex Keene との会話を続けます。
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トランスクリプト
スティーブン・ストロガッツ (00:03):私はスティーブ・ストロガッツです。これはThe Joy of Whyです 、Quanta Magazine のポッドキャスト それは今日の科学と数学における最大の未解決の問題のいくつかにあなたを連れて行きます.今日は睡眠についてお話しします。
とにかくなぜ私たちは眠るのですか？私たちは人生の約 3 分の 1 を睡眠で過ごしているので、睡眠はかなり重要に違いないと思われます。しかし、それについてはまだ理解できないことがたくさんあります。睡眠研究者が確信していることの 1 つは、私たちの体のすべてのシステムが睡眠の影響を受けているように見えるということです。睡眠を逃すと、循環、消化、免疫システム、代謝、そしてもちろん脳機能が損なわれます.そして、睡眠不足は、ダメージを与えるために長期である必要はありません.実際、睡眠を十分にとらないと、死んでしまいます。しかし、正確にはなぜでしょうか?
ドラガナ・ログリャはそれについて何かを知っています。すぐに彼女と話します。彼女はハーバード大学医学部の神経生物学の准教授です。彼女はなぜ私たちが眠る必要があるのか、そして脳がどのように睡眠と覚醒を切り替えるのかを研究しています。彼女はまた、睡眠不足の致命的な影響にも注目しています.
後で、睡眠の神経調節と、睡眠の進化の全体像における役割を研究しているテキサス A&M 大学の Alex Keene に話を聞く予定です。彼は予想外の場所、つまりメキシコの洞窟に生息する魚を調べることでそれを行います。まず、ドラガナ・ログリャ、今日はご参加いただきありがとうございます。
ドラガナ・ログリア (01:35):招待してくれてありがとう。これは信じられないほどです。
ストロガッツ (01:38):ええ、あなたの仕事についてお話しできることをとても楽しみにしています。しかし、最初に、睡眠全般について広く話し合えることを望んでいました。たとえば、私は母に「なぜ私は寝なければならないのですか？」と尋ねたのを覚えています。私が小さな子供だったとき。そして彼女は、まあ、あなたは疲れているので、休むのに役立つだろうと言いました.しかし、睡眠は単なる休息とはまったく違うものに思えます。なぜなら、睡眠中は意識が完全に変化した状態にあるからです。睡眠は休息とどう違うのですか?
ログリャ (02:07):ええと、おそらくあなたは今座っていて、何らかの形で休んでいるのでしょう。でも絶対寝てないよね？それで、ええ、何がそんなに違うのですか？そして、私にとって、睡眠の最も特徴的な特徴は、多くの点で、外部環境と内部状態に対する意識の喪失です.
通常、人間や他の哺乳類の睡眠を研究する場合、脳の電気的活動を記録して記録します。これらの波の変化を見ることができますが、単純な睡眠動物ではできません。しかし、私たちは、彼らが実際に切断された状態に入るということを知っています.彼らは動きを止めますが、とにかく動きを止めることができますよね?だから、あなたは動きを止めますが、これは意識の喪失、身体の弛緩と相まって.そして、その理由を尋ねるのは難しいことだと思います。その理由を知りたいと思います。しかし、私たちがその理由に到達したい方法は、どのように尋ねることです.私たちが理解できる睡眠に関する最も原始的なことは何ですか?
ストロガッツ (03:09):人以外の動物について言及していることに気づきました。つまり、私たちは睡眠とは何かについて、非常に自然に人間中心の見方をしており、夢について考えています。しかし、あなたが言うように、私たちがどのように見るべきかという質問を得るために、おそらく、他の動物について？動物の世界で眠るのは誰?
ログリャ (03:24):今日私たちが考えていることは、睡眠は動物と同じくらい古いということです。したがって、私たちが生きた化石と呼ぶこれらの動物がいます。おそらく、それらは動物の進化を通じてあまり変化していないからです。クラゲやヒドラのような単純な動物を見てみると、非常に原始的な神経系を持っている動物です。私が言うように、彼らがこれらの形態の行動に関与していることは非常に明らかです。すべての実際的な目的は、実際には私たちの睡眠のようなものです.彼らは切断し、周りで起こっていることに注意を払うのをやめ、刺激が非常に強くない限り、外部からの刺激に反応することができません.つまり、基本的に最も単純な動物に見られます。
ストロガッツ (03:25):すごいですね。私はこれについて本当に聞いたことがありませんでした
ログリャ (03:26):私にとって最大の問題は、脳と睡眠の関係に注目しすぎていることです。なぜなら、あなたが言ったように、私たちは夢を見ているなどの理由で、人間中心の視点から考える傾向があるからです。しかし、これらの単純な動物が眠るという事実を受け入れるなら、私たちは本当に脳を超えて考える必要があります。
ストロガッツ (04:33):ええ、それは非常に興味深い点です。では、脳について少し考えてみましょう。アラン・ホブソンは、睡眠は「脳の、脳のための、脳による」と述べています。
ログリャ (04:44):ええ、そうではないと思います。それは正しくないと思います。それは正しくないと思います。つまり、それは確かに脳のためです。しかし、それは他の多くのものにも当てはまります - 他のすべての、あなたが知っているように、私たちの体の部分のために、本当に.だから、それが正しいとは思いません。脳による、または脳によるものであると言っても、脳を持たず、非常に単純な神経系、非常に単純な神経系、本当に初歩的な神経系を持つ動物を意味します。彼らは眠ります.ですから、それは一種のセマンティクスの問題である可能性があると思います。それが脳であるか脳ではないかということですが、神経系だけの問題ではないと思います.
実際、脳だけでなく、体の他の場所でも睡眠を調節できるという証拠がいくつかあります。つまり、睡眠を調節するシグナルは、体の他の場所から来る可能性があるという証拠があります。脳だけでなく、その証拠もあります。
ストロガッツ (05:35):あなたとあなたの同僚の努力のおかげで、今では非常に多くの証拠が蓄積されています。あなたは素晴らしいモデル生物を利用しました。私たちはそれを私たちの人間中心の視点から呼んでいます。つまり、彼らが自分たちをモデル生物と考えているかどうかはわかりません。ショウジョウバエについては、遺伝的、発生的に多くのことを知っています。そして今、あなたはそれらを使って、睡眠が何のためにあるのかを私たちに教えています.
ログリャ (05:59):ええ。そのため、ハエの睡眠がこれらすべてのボックスをチェックすることが数十年前に示されました.眠っていると見なされるには、合格しなければならない特定の基準があります。そして、これが実際にハエに当てはまることが示されました。彼らは、何時間も動かない状態に入ることができます。もちろん、動かないからといって、眠っているわけではありません。しかし、繰り返しになりますが、彼らは外部環境から大幅に切り離されたこの状態に入ります。私たちにも同じことが起こりますよね？眠っているときは、刺激に反応しません。
それらは、あらゆる種類の遺伝子操作に適しています。そして、睡眠が必要であることが明らかになりました。ある意味で、睡眠を妨げれば、悪いことが起こり、死ぬ可能性があります。主にラボでハエを使用しています。そして、重要な発見だと思われる何かを見つけたら、それらの発見をマウスでテストします。そして、これまでのところ、私たちがクロスチェックしてきたことは、ほとんど同じです.さらに、彼らは飛ぶことができます。とても、とてもクールです。
ストロガッツ (07:08):すごいですね。つまり、映画ザ・フライ以外は - 多くはない - です。 、 つまり、自分自身がハエとつながっていると考える人はあまりいないでしょうが、ハエやネズミから自分自身について多くを学ぶことができる方法である、地球上の生命の団結は素晴らしいことです.つまり、私たちは深い意味で一種の親戚です.
ログリャ (07:26):なんてこった、絶対に。私たちは皆、本質的に同じだと思うようになりました。生物学を知れば知るほど、自分自身を他のすべてのものから分離していると考えることができなくなると思います.
ストロガッツ (07:39):あなたが行った実験と、あなたより前の人々が何十年も行ってきた実験を行ったとします。この場合、動物、この場合はハエまたはマウスの睡眠を奪い、次に質問します。 、もしあなたがそれを十分にやったなら、あなたが彼らを十分長く眠らせずに行かせ、彼らがそれで死ぬとしたら、正確には何が彼らを殺したのでしょうか?そして、あなたは手がかりを持っています、非常に重要な手がかり
ログリャ (08:04):ええ、まさにそこから始めました。ですから、私が研究室を始めたとき、これは私が長い間興味を持っていた質問です.なぜですよね？なぜ眠る必要があるの？そして、「なぜ」は解釈ですよね？大丈夫、これがそれが起こる理由だと言えます。しかし、私たちが実験的に実際に示すことができるのは、何が起こるかということですよね?物事がどうなるかのように。
私が研究室を始めたとき、ポスドクが私の研究室にやって来ました。Alex Vaccaro はまさに理想的な人物でした。そして、この問題にどのようにアプローチするかについて話しました。そして、動物が眠れずに死ぬ理由について、私たちは不可知論者であるという新しいアプローチを取ることに決めました.睡眠についての考えを避けようとするのは、脳によるものです。それで、私たちは、本当にハエの睡眠を奪うことができるかどうか見てみようと思い、さまざまな方法でそれをやろうとしました.したがって、異なる方法論、重複しない方法論を持ち、それらの寿命を調べて、死ぬ特定の時期があるかどうかを確認してください.では、その前に何が起こっているのかを見つけることができますか?
(09:04) 私たちはある程度の確信を持ってこれに飛び込みましたが、正直なところ、私たちが最終的に見つけたようなものを見つけるという希望はほとんどありませんでした。あらゆる種類のものがバラバラになっている可能性があります。体中ですよね？たとえそれが脳でなくても、体の中で非常に多くの異なることが起こっている可能性があり、死の正確な原因を特定することは本当に難しいかもしれません.
私が最初に本当に驚いたのは、動物の睡眠を奪うと、動物は墜落し、早死にするということでした。これはハエの場合で、ハエが死ぬと非常に再現性がありました。したがって、どれだけの睡眠を失ったかに大きく依存していました。したがって、睡眠を失うほど、死ぬのが早くなります。しかし、方法論が異なっていて、いずれも同じように睡眠を失うと、結局は同じ種類の睡眠速度で死亡することになります。それで本当に驚きました。それは特定の時間に起こります。
それが重要だった理由は、体のどこかを掘り起こすことができる何か特定の出来事が実際にあるかもしれないことを私たちに示唆したからです.それが私たちが最初に感じたことでした。生存と睡眠不足の間の本当の相関関係を見つけることができれば、何が起こっているのかを見つけることができるかもしれません.
ストロガッツ (10:17):ここで一時停止してもらえますか?あなたはキネティクスという言葉を使っているので、あなたの言いたいことが分かると思いますが、これが正しいイメージかどうか教えてください.たとえば、ハエが 100 匹いて、ハエの睡眠を奪い始めたとします。おそらく、ある量が 1 日生き残り、ある量が 2 日目まで生き残り、という具合です。そして、そのようなグラフを作成しています。
ログリャ (10:35):その通りです。それは正しい。そして、最初は全員が 100% 生きているように見えます。そして、コントロールは生き続けます。そして、あなたがどれだけの睡眠を失うかに応じて、かなり早い段階である時点で.睡眠を失うほど、クラッシュが早くなり、これらの生存曲線が低下し始めます。つまり、睡眠不足の動物の 80%、つまり 60% が生きているということです。したがって、すべての睡眠を取り除くと、寿命が影響を受ける可能性があります。4 分の 1 の寿命があり、寿命はコントロールの 4 分の 1 です。つまり、これは非常に強力な効果です。
ストロガッツ (11:11):それは残忍です。では、生存曲線と呼んでいるこのグラフを作成すると、睡眠を奪った時間の関数として生存する数を表すと、曲線はどのように見えるでしょうか?
ログリャ (11:22):ええ、それは素晴らしい質問です。そして、この旅全体で本当に重要だったことがあります。つまり、特定のポイントがあり、そのポイントは、どれだけの睡眠を失うかにのみ依存しているように見えます。突然、これらの睡眠不足の動物が大量に死に始めます。したがって、最初に調べたこの条件の下では、たとえば、コントロールが最大 40 日間生存する場合、10 日目頃に、約 90% の睡眠が失われます。つまり、10 日目頃にクラッシュし始め、20 日目までにはすべて死んでしまいます。したがって、これらの睡眠不足の動物の生き残った最後の動物は、20 日までに死亡します。その後、対照動物は 40 日間生きます。そして10日目は、彼らがクラッシュし始める変曲点であり、それは実際に私たちに窓を与えました, いつ体で起こっていた悪いことを探すか.ええ、それは本当に重要なポイントでした.
ストロガッツ (12:16):それで、別の臓器を見始めたのですか?
ログリャ (12:18):ええ、実際には非常に単純でした。つまり、アイデアは非常に単純でした。このプロジェクトを開始したポスドクのアレックスと、彼女に加わった別のポスドクのヨセフ・カプラン・ドールから始めたこと。その考えは、ハエから取り出せるすべての臓器を取り、動物全体を解剖し、いわば病理学を行い、考えられるものは何でも調べることでした。起こっていること？細胞死のマーカー、損傷した DNA のマーカー。それで、私たちはいたるところにあるものすべてを見ました。よし、全身。そして、それは本当に重要なことでした。私たちは自分たちを脳に限定しなかったということです。私たちは、どこでも悪いことが起こっている可能性があると考えました.すべての臓器を取りましょう.
そして、それを行ったとき、この驚くべき答えにたどり着くのは、実際には非常に迅速でした。それは、具体的には腸で悪いことが起こっているということでした.
ストロガッツ (13:12):腸です。それは明らかではありません。つまり、そうですか？睡眠を失うと、どういうわけかハエの腸内で何かが台無しになります。それで、おっと、それは、本当に、本当に興味深いです。
ログリャ (13:23):ええ、衝撃的でした。ご存知のように、それは私が慣れてきたものの1つです。数年経ちました。そして、それはまさに、ええ、もちろん、それですよね？しかし、最初にこれらの結果を得たときは、本当に奇妙でしたね。
そこでアレックスが行ったことは、彼女が注目したことの 1 つは、活性酸素種のレベルでした。少しお話ししましょう。これらは非常に化学的に活性な酸素の分子誘導体であり、非常に不安定です。そして彼女は、これらの動物が大量に死に始め、睡眠を奪われたちょうどその頃に、特に腸内で活性酸素種が非常に非常に非常に増加していることを発見しました.それはその直前でした。
ストロガッツ (14:04):フリーラジカルについて話しているのを聞いたことがあります。それは別のことですか?
ログリャ (14:07):つまり、活性酸素種は、名前が示すように、非常に反応性の高い酸素に由来します。フリーラジカルは、これらの活性酸素種の中で最も反応性の高い形態です。それらは非常に非常に有害ですが、フリーラジカルは、酸素からではなく、他の何かから派生する可能性があります.しかし重要なことは、それらの外側軌道、価電子軌道に不対電子があるということです。それが化学反応に関与する軌道です。そして、安定性のために電子が対になる必要があります。したがって、これらの分子は一種のぐらつきがあります。そして、それらは細胞分子を攻撃します。彼らは電子を盗む、いわばDNAから、タンパク質から、脂肪から、それらを酸化します。これは錆びに非常に似ていますよね？あるいは、りんごを切るとき、空気にさらすと酸化します。それは茶色のものですよね？したがって、これらの細胞分子も危険な分子であるフリーラジカルに変え、他のものを攻撃します.
ストロガッツ (15:03):おいおい。
ログリャ (15:04):ええ、それはおかしなことでした。私たちが見たのは、これらの活性酸素種が蓄積し、腸の酸化、または酸化ストレスと呼ばれるものを追跡したことです。私が言及しているのは、細胞分子から電子を盗み、それらを破壊するという事実です。最終的には、細胞が腸内で大量に死んでいくのを見るのです。そして、これがすべて起こり、そして彼らは死ぬのです。
ストロガッツ (15:29):念のため言っておきますが、化学や生化学をやったのは久しぶりなので、リスナーの中には同じことを言う人もいるかもしれません。基本的なポイントは、あなたがハエである場合、睡眠なしで過ごしたり、あまりにも長い間睡眠なしで過ごすことを余儀なくされたりすると、腸内にこれらの活性酸素種が非常に異常に高いレベルで蓄積されるということです.それらは ROS と省略されています。 「ロス」と発音しますか?
ログリャ (15:49):「ロス」、または活性酸素種。 ROS、ええ。
ストロガッツ (15:52):つまり、これらの活性酸素種は、内部のさびやある種の毒のようなものです。それがポイントですよね？
ログリャ (15:58):ええ、まさにそれがポイントです。パイプの錆び、リンゴが空気に触れると茶色くなる、それが酸化だと私は考えています。酸化とは本質的に、他の分子を酸化するということは、それらから電子を盗むことを意味します。わかりました。
それで、それが起こります。それが酸化ストレスです。そして、それについて本当に危険なのは、ある分子が別の分子を攻撃し、それを悪くし、別の分子を攻撃するため、伝播できることです.そして、これが私たちが見たものです。そして、私たちはハエでそれを見ました、そして私たちが考えることができるあらゆる方法での睡眠不足でそれを見ました.そして、マウスをチェックインしましたが、同じことがわかります。しかし、最も興味深いのは、それとその後の死との因果関係を示そうとしたときでした。死の前に何かがあるからといって、それが因果関係があるとは限りませんよね？相関関係かもしれません。
アレックスとヨッシ、そしてチームの他のメンバーが行ったことは、これらの分子を中和しようとすることでした.つまり、特に腸内の活性酸素種を除去し、これにより生存、つまり睡眠のない通常の生活が可能になるかどうかを確認する.そして、私たちはこの考えを試しました。オーケー、それは論理的なことです。しかし、それがうまくいくという信念はありましたか？いいえ、つまり、それは本当にファンタジーのように思えました.
(17:17) 衝撃的でした。本当に衝撃的でした。私たちはみんな集まって、毎日これらのハエを見ました。つまり、彼らは特定の抗酸化物質を与えられただけで、活性酸素種を中和することができ、生き残ることができました.しかし、私たちが抗酸化物質を与えることでこれを行ったとき、私たちは考えていました.ROSが見られないという理由だけで、それがどこに行き、体のどこに作用するかわからないものを食べるとき、そうです.他の場所では、それらが存在しないという意味ではありません。そこで、私たちがやりたかったことは、基本的に遺伝子操作によって、これを腸内でのみ行うことでした.
ですから、抗酸化物質を発現させ、抗酸化酵素を入れたら、これらのトリックがあると想像できますよね?つまり、抗酸化物質は、ROS のような酸化剤を中和するもので、腸内に入れるだけです。そして、あなたは尋ねます、これは生存を救うことができますか?そして、腸内でこれらのものを取り除く限り、動物は生き残ることができます.
ストロガッツ (18:15):そうです、とても素晴らしいです。つまり、これらの実験は非常に独創的であり、非常に単純であるため、同僚全員が「ああ、なぜ私はそうしなかったのか?」と感じるに違いありません。この分野は昔から — ご存知ですよね?しかしもちろん、あなたは今、遺伝子工学の力を持っています。それは本当に役に立ちました.
ログリャ (18:30):ええ。彼らがそのように感じているかどうかはわかりません。しかし、私はこれを言います、ええ、それは非常に単純でした.それが問題ですが、私はあなたに話します。私は、よりスムーズに進んだ何かに参加したことはありません。これほど難しい問題に取り組んだことはないと思いますし、スムーズに進んだプロジェクトに参加したこともありません。
ストロガッツ (18:46):それでは、それを取得させてください。繰り返しますが、単純化しすぎていると言っているようなものですが、さび取り剤ではなく、さび取り剤を使用した場合のようなものですが、これらの抗酸化剤.腸内だけで、そうでなければ死んでいたハエを救うのに十分です.
ログリャ (18:58):その通りです。それがまさに起こったことです。ラボで理解したかったもう 1 つの質問は、この感覚の断絶を正確にどのように行うのかということです。この感覚断絶の状態にどのように入るのですか？眠っているときと起きているときのように情報を処理しないのはなぜですか?
研究室のもう一人のポスドクである Iris Titos がこのスクリーニングを行いました.それで、私たちはそれが可能な操作を探しています—それは動物を今、睡眠中に非常に敏感にするか、非常に無反応にするか、ご存知のように、地震で眠ることができる人です。そして彼女が見つけたのは、腸に由来するシグナルです。したがって、これは完全に別の研究であり、私たちを腸に導きました.彼女は、高タンパク食に反応して腸から分泌されるこの分子を発見し、それが脳に信号を送って、より深い睡眠へと導き、より大きな感覚断絶の状態にすることを発見しました。これは、腸が睡眠の質を実際に決定している例です。
ストロガッツ (20:05):これはワイルドです。これ、これは、感謝祭に七面鳥の夕食を食べた後は、トリプトファンが多すぎて、眠りたくなるだろうと人々が言っていることを思い出させます.
ログリャ (20:13):私たちの場合、それがトリプトファンではないことを示しました.少なくとも、この分子は特定のアミノ酸に反応して作られるのではなく、たんぱく性食品の状態を感知しているだけです.ですから、私がそれを解釈する方法は、ご存知のように、私はよくこのことを言っていました。なんで何もできない、そんな状態に？」でも本当は、ご飯をおいしく食べて、どこかに隠れて、動かず、寝ていたほうがいいと思いますよね？したがって、本質的には、接続を切って深く眠る余裕があります。また、野原を横切って食べ物を探したり、危険にさらされたりする必要はありません。
ストロガッツ (20:52):ええ、非常に興味深いです。つまり、睡眠は消化とか何かと本当に結びついているのです。
ログリャ (20:58):そうですね。そう思います。
ストロガッツ (21:00):これで、生命の木の上下にあるすべての動物がこれを行う必要がある理由が説明できます。食べることの大切さは誰もが知っています。代謝は重要です。
ログリャ (21:11):腸は、動物の進化において最初に登場した器官の 1 つであるということです。そして、私はそれを次のように考えていました—この研究の前は、私は腸に魅了されていなかったでしょう。しかし、考えてみてください、あなたが本質的に構成されているすべてのものは、あなたの腸を通って来なければなりません.あなたはそれを食べ、いくつかの分子を抽出し、それを自分自身に変えなければなりません.
これは、ワイルドなことが起こる体の真ん中に近い場所のようなものです.自分自身を傷つけることなく、他の動物、植物、さまざまなものの組織を分解する必要があります。体が腸にさらされているものに近いものにさらされているとは、他に考えられません。
ストロガッツ (21:52):それは興味深いメモです。ドラガナさん、本当に啓発的で楽しい会話をありがとうございました。
ログリャ (21:59):ありがとう、スティーブ。
アナウンサー (22:05):The Joy of Why Quanta Magazine のポッドキャストです 、シモンズ財団が支援する編集的に独立した出版物。 Simons Foundation による資金提供の決定は、このポッドキャストまたは Quanta のトピック、ゲスト、またはその他の編集上の決定の選択には影響しません。 .
ストロガッツ (22:26):次のゲストはアレックス・キーンです。彼は睡眠を研究する神経遺伝学者です。また、テキサス A&M 大学の生物学部門の責任者でもあります。アレックスは、ショウジョウバエの睡眠と記憶形成の分子基盤を研究してきました。また、彼は睡眠の神経メカニズムと、それらがどのように進化してきたかをよりよく理解するために、メキシコの洞窟魚を調べました。アレックス、今日はご参加ありがとうございました。
アレックス キーン (22:51):お招きいただきありがとうございます。
ストロガッツ (22:52):これは素晴らしい。洞窟の魚について聞きたくてたまりません。しかし、おそらく最初に、睡眠の研究におけるモデル遺伝子生物の役割について、ある種のより広範な質問から始めるべきです.それは一体何ですか?
キーン (23:05):約 25 年前に起こった革命があると思います。それ以前は、睡眠は主に哺乳類のシステムで研究されていました。しかし概日リズム、つまり24時間のパターンは広く保存されていることが知られていました。そして、多くの作業は非常に単純なモデルで行われました。そして、神経科学研究所のポール・ショーとペン大学のアーミタ・セーガルとアラン・パックが率いる概日リズムを本当に研究しているそのコミュニティは、これらの実験をショウジョウバエに持ち込むという考えを持っていました。遺伝子発見を行うことができます。それ以来、他の多くのシステム、ゼブラフィッシュ、C. elegans、これらの単純なワームで使用され、それらを使用して、人間の睡眠で非常に保存されていることがわかっている睡眠の基本的な機能を発見しました.
ストロガッツ (23:51):1970 年代にさかのぼると、人々はハエの概日時計の遺伝的基盤を探そうとしていたと思います。そして、それは睡眠に隣接する分野のようなものであり、睡眠を調節する遺伝子や睡眠の根底にある遺伝子を探していることを除いて、同じ戦略であるとあなたは言っていますか?
キーン (24:09):ええ、概日リズムを研究するのは一種のクリーンで簡単なことです。なぜなら、地球上のほぼすべての動物が頭の中にこの 24 時間時計を持っていることを知っているからです。一方、睡眠ははるかに複雑で定義が難しいと考えられていました。しかし、この分野が本当に得意としていたのは、動物の行動を記録することです。これらの研究グループがハエの睡眠を詳しく調べ始めたとき、私たちが哺乳類のシステムで睡眠を特定するために使用するこれらすべての行動特性を見つけることができました。例えば、覚醒閾値の上昇や、動物が睡眠中に入る種固有の姿勢などです。ハエでも起こっていました。そして、概日リズムに関与する遺伝子とニューロンを発見するために使用されたこれらのアプローチの多くを睡眠に移すことができました。そして、それがこの分野の始まりであり、それ以来急速に前進していると思います.
ストロガッツ (25:00):私の博士号は、完全な開示のようなものです。睡眠についてでした。私は数学者ですが、人間の概日リズムと睡眠サイクルの計算に取り組みました。しかし、それは約35年前のことです。それで、私はここで少しリップヴァンウィンクルです.私はもうこれに取り組んでいません。ですから、あなたは私を大きな眠りから目覚めさせ、フィールドがどのように進歩したかを教えてくれているようです.ある人が本当に進化論を信じているなら、生命はここ地球上で、おそらく最後の普遍的な共通の祖先から、今日の私たち全員から進化したのです。もちろん、進化の観点からは、多くの生物が睡眠のようなものを持っていることを期待するかもしれません.
キーン (25:37):ええ。つまり、なぜ人々がこれを考えたのかという点で、睡眠はユニークかもしれません。なぜなら、睡眠は常に多くの異なるニューロンの創発的な特性であると考えられていたからです。睡眠を生成するにはニューロンの複雑な集合体が必要でしたつまり、哺乳類の脳には数百万または数十億のニューロンがあります。したがって、個々の細胞にローカライズできるとは誰も考えていませんでした。しかし今では、300個のニューロンを持つ動物が眠ることができるという発見が広く受け入れられているので、睡眠とは何かを再考する必要があると思います.睡眠に似た状態に入るために必要なニューロンの最小数は、大きな問題です。
ストロガッツ (26:18):ああ、私はあなたにそれを聞くつもりでした。 C です。エレガンス どこまで行った?
キーン (26:22):ええ、つまり、C だと思います。エレガンス 非常に原始的な神経系を持っています。ヒドラやクラゲも、睡眠について特定または特徴付けられています。 C での作業で本当に注目すべきこと。エレガンス ヒドラは、これらの睡眠の行動特性を持っているだけでなく、睡眠に関与する分子機構の多くが保存されているようです.つまり、この小さな微視的なワームから人間に至るまで、同じ遺伝子が関与しています。たとえば、ヒドラ メラトニンを与えると、ヒドラは睡眠のような状態になります。
ストロガッツ (26:53):うーん。さて、メキシコの洞窟の奥深くに行くためにギアをシフトする必要があるかもしれません。あなたとあなたのグループは、メキシコの洞窟魚について多くの仕事をしてきました.それらについて少し教えてください。また、なぜ睡眠に関連して研究するのがとても興味深いのかを教えてください.
キーン (27:08):これは本当に驚くべき生物学的システムだと思います。メキシコ北東部に入ると、川に生息する表層魚がいて、見た目は普通の魚です。彼らには目があり、色素沈着しています。そして、周囲には 30 の異なる洞窟があり、基本的には互いに 50 キロメートルの範囲内にあり、そこには洞窟魚が閉じ込められています。つまり、彼らはまだ同じ種であり、私たちがそれらを取り出して実験室に入れれば、交配することができます.しかし、これらの洞窟の魚は完全に異なって見えます。そして本当にクールなことは、彼らは目を失い、色素沈着を失ったことですが、それは各洞窟で個別に起こりました.そのため、科学者たちはこれらの魚をほぼ 100 年にわたって研究し、進化がどのように繰り返されるのかを解明してきました。
最近起こったことは、彼らの行動と生理機能の違いを理解するようになったことです. 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.
ストロガッツ (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.
ストロガッツ (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.
ストロガッツ (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.
ストロガッツ (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.
ストロガッツ (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.
ストロガッツ (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.
ストロガッツ (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.
ストロガッツ (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.
ストロガッツ (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.
ストロガッツ (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.
ストロガッツ (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.
ストロガッツ (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.
ストロガッツ (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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