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从大脑中找寻生物钟的秘密

2016-05-20 07:38 大数据实验室

生物钟每天在我们体内滴答作响。清晨将我们唤醒,夜晚送我们入眠。它不断地调节着我们的体温,调节着胰岛素和其他激素的生成。

生物钟甚至能影响我们的思想和感觉。心理学家通过一天内不同时间点的认知测试来测量生物钟对大脑的影响。

实验表明,上午晚些时候是做像心算这种需要大脑同时处理多条信息任务的最佳时刻。下午晚些时候则适合做些简单的任务,比如在一页胡说八道的文字里找出某个特定的字母。

抑郁症和躁郁症患者的某些表现也反映出我们大脑中生物钟的存在。这些患者通常晚上睡不好,白天却昏昏沉沉。一些老年痴呆症患者会有“日落综合症”(sundowning),即日落时分人会变得糊涂或者情绪激动。

密歇根大学的神经学家胡达·阿基勒(Huda Akil)解释道:“很大一部分精神疾病与睡眠和活动周期有关。”

然而,神经学家目前还难以准解释生物钟如何影响我们的大脑。毕竟,研究人员不能简单地敲开研究对象的脑袋,从早到晚地观察每一个大脑细胞的活动。

几年前,阿基勒博士和同事们灵光一闪。加州大学欧文分校保存着被捐赠用于科学研究的大脑。这些大脑的主人有的在早晨死去,有的在下午或者晚上死去。阿基勒博士和她的同事们想知道,不同时间死亡的人,其大脑会否存在差异。

“这个想法听起来或许很傻,但从来没有人这么思考过。”阿基勒博士说。

她和同事们挑选了55个人的大脑。这些人生前都非常健康,只是突然死于意外,比如车祸。研究人员对每个大脑负责学习、记忆和情感的区域做了组织切片。

当人们死去的时候,脑细胞内的某些基因正在活跃表达。因为这些大脑是被快速冻存的,所以科学家仍然能够测量那些基因在人死亡时的活动。

他们检验的大部分基因在一整天的活动中没有表现出任何节律。但他们发现,超过1000个基因遵循着昼夜循环的规律。同一时间死去的人,这些基因的表达处于同一水平。如此吻合的基因表达谱可以被视作一个个的时间戳。

“我们会问,‘这个人是什么时候死的?’”阿基勒博士说。“我们根据基因活动分析所得出的死亡时间和他们的实际死亡时刻之间的误差在一个小时之内。”

之后,她和同事们用同样的方法分析了另外34个死前患有重度抑郁症死者的大脑。他们发现与前者的时间戳标记相比,两者相去甚远。

“就好像一个过的是日本时间,另一个过的是德国时间。”阿基勒博士说。

阿基勒博士和同事们于2013年发表了他们的研究成果。匹兹堡大学医学院的研究人员受此启发,试图重复他们的实验。

“之前我们都没有想到能做这样的实验。”神经学家科琳·A·麦克朗(Colleen A. McClung)说。

麦克朗博士和同事们做了更大规模的研究。他们检验了通过大学捐赠项目收集的146个大脑。研究人员在《美国国家科学院院报》(The Proceedings of theNational Academy of Sciences)上发表了他们的研究结果。

“瞧,我们得到了很好的节律。”麦克朗博士说。“这看来真像是大脑在死亡瞬间的快照。”

让阿基勒博士欣慰的是,这一组研究人员的结果和她之前的发现一致。“两组实验结果的大量吻合,使我们不得不去相信有些东西真的存在呢。”她说道。

而后,麦克朗博士和同事们又做了一些别人没有做过的事情。他们比较了年轻人和老年人大脑里的基因表达,并且发现它们存在着有趣的差异。

科学家们希望能找到线索来解释为什么人的生物钟随着年龄增长而改变。“随着人们变老,他们的节律逐渐衰退并提前。”麦克朗博士说。

她发现,某些具有明显昼夜周期的基因在年轻人身上较为活跃,但在60岁以上的老年人身上则逐渐衰退。这也许是因为老年人的大脑内停止了合成用来维持昼夜节律的蛋白。

令人吃惊的是,研究人员还发现某些昼夜活跃的基因只存在于老年人身上。麦克朗博士说:“大脑像是在开启另一个生物钟来作为补偿。”

阿基勒博士推测,大脑建立一个备用生物钟可以避免一些老年人患上神经退行性疾病。她说:“大脑能否建立起备用生物钟,体现了其衰退与否。”

最终,我们甚至可以通过打开备用生物钟来治疗一系列与昼夜节律相关的疾病。

阿基勒博士说,找到人类大脑里驱动生物钟的基因之后,科学家可以在动物身上进行实验来弄清楚这些基因的真正作用。

“与其坐在实验室里空想哪些基因可能是重要的,不如从这些人类大脑里攫取灵感,问自己:‘它想告诉我们什么?’她说。  



作者  Carl Zimmer

编译  宠虫

校对  杨璐

来源:赛先生



本文经《赛先生》公众号授权发布。

文小刚、刘克峰两位世界著名科学家担任主编

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