是什麼讓人類在白天清醒，夜晚睡覺？

近日，發表於Neuron上的一項研究發現，大腦中的一種名為Prok2蛋白質可以響應光和黑暗，以保證睡眠和覺醒之間的正確平衡。這或許就是為何人類習慣夜晚睡覺，白天工作的原因。

日出而作，日入而息。幾千年來，人類都保持著這樣的生活作息。科學家們已經知道，光能夠通過哺乳動物的下丘腦視交叉上核（SCN）調控生物節律間接地影響睡眠，或者通過遮蔽效應（masking effect）直接而迅速的影響睡眠。雖然有許多研究都探索了光對生物節律的影響，但光對睡眠的直接影響卻知之甚少。我們為何要在晚上睡覺？為何在有光的時候就不容易睡著？來自加州理工學院的研究人員找到了一些答案：大腦中的一種蛋白質可以響應光和黑暗，以保證睡眠和覺醒之間的正確平衡。這項研究於6月22日發表在Neuron期刊上。

本研究的通訊作者David Prober教授說：「在此之前，研究人員已經確定了光線對覺醒和睡眠產生直接影響所必需的光感受器。 但是我們想知道大腦如何使用這種視覺信息來影響睡眠。」

Prober的驗室使用了斑馬魚作為研究睡眠的模式生物。斑馬魚是光學透明的，因此它們的神經元能夠被無創成像，此外，它們也有像人類一樣的晝夜睡眠/覺醒模式。為了研究斑馬魚睡眠如何對光線作出響應， Prober實驗室曾經的一名研究所Shijia Chen領導了一項研究，檢測斑馬魚腦中一種名為prokineticin 2（Prok2）的特定蛋白質。

過表達Prok2的斑馬魚更有可能在白天睡著，晚上清醒。圖片來源：Neuron

Chen通過基因工程，讓斑馬魚過表達Prok2。她發現與正常的斑馬魚相比，過表達Prok2的斑馬魚更有可能在白天睡著，晚上清醒。令人驚訝的是，這種效應並不取決於轉基因魚的正常晝夜睡眠/覺醒周期，而是僅依賴於環境中的燈光是否亮起。這些觀察結果表明，過量的Prok2抑制了光線的覺醒作用和黑暗的鎮靜作用。

然後，Chen構建了攜帶Prok2及其受體突變的斑馬魚，並觀察到它們身上的這種與光線有關的睡眠缺陷。Chen發現，攜帶Prok2受體突變的斑馬魚在開燈時更加活躍，關燈時活動減弱，而過表達Prok2並具有功能性Prok2受體的斑馬魚中觀察到的情況正好相反。

「雖然像斑馬魚這樣的晝夜動物在晚上大部分時間都在睡覺，白天清醒。但事實上，它們和許多人一樣，也會在白天打盹兒，晚上偶爾清醒。」Prober說， 「我們的研究結果表明，Prok2的水平在設定晝夜之間睡眠和覺醒的正確平衡方面發揮了至關重要的作用。」

在光照下，Prok2過度表達使甘丙肽（白色）水平上升。圖片來源：Neuron

接下來，研究人員想知道Prok2如何調節光對睡眠的影響。為了回答這個問題，他們決定觀察大腦中已知的能影響睡眠的其他蛋白質對於Prok2的效應是否是必需的。他們發現，在光存在下時，Prok2過度表達產生的鎮靜作用需要一種已知的睡眠促進蛋白——甘丙肽。並且，Prok2過表達增加了大腦中關鍵的睡眠促進中心——下丘腦前部的甘丙肽表達水平。因此，在缺乏甘丙肽的斑馬魚中，過表達Prok2不能增加睡眠。

這項研究首次發現光如何與大腦相互作用以影響睡眠，並為科學家探索這一現象下的基因和神經元基礎提供依據。然而，還需要進一步的工作來充分解釋光暗如何直接影響睡眠和覺醒，並確定Prok2在人類中是否具有相似的功能。如果在人類中也存在類似機制，那麼這項工作或許會促進新的睡眠和覺醒藥物產生。