?求偶的果蠅。來(lái)源：潘玉峰實(shí)驗(yàn)室
撰文 | 陳曉雪
責(zé)編 | 李曉明
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關(guān)于中國(guó)的創(chuàng)業(yè)者，網(wǎng)上曾有這樣一個(gè)段子：加班多，睡得少，沒(méi)有性生活，越吃越多，越來(lái)越胖。
這句話(huà)包含了動(dòng)物以及人類(lèi)的三種基本行為：睡眠、求偶、吃飯。
那么，當(dāng)我們又餓又困之時(shí)，還會(huì)興致勃勃地繁衍下一代嗎？這是個(gè)問(wèn)題。
實(shí)際上，這種行為選擇或者行為之間的“優(yōu)先級(jí)排序”存在于每個(gè)人、每一天的生活中。神經(jīng)生物學(xué)家要研究的，就是了解動(dòng)物以及人類(lèi)行為是如何產(chǎn)生以及被調(diào)控的。
目前，科學(xué)家利用動(dòng)物模型研究?jī)尚韵嚓P(guān)行為、打斗、覓食以及學(xué)習(xí)記憶等行為的神經(jīng)環(huán)路以及分子機(jī)制均取得了重大進(jìn)展。但是，動(dòng)物以及人類(lèi)如何在多種行為之間的進(jìn)行抉擇，不同行為在神經(jīng)環(huán)路水平是如何溝通的，這些問(wèn)題一直懸而未決。
最近，東南大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家潘玉峰與耶魯大學(xué)、霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）珍妮莉亞（Janelia）研究中心的合作者們?nèi)〉昧送黄啤?/p>
“這些研究揭示了控制果蠅的睡眠與求偶這兩種基本行為的神經(jīng)環(huán)路之間確實(shí)存在相互作用，而這種相互作用決定了哪種行為將優(yōu)先輸出。有趣的是，這種相互作用存在顯著的雌雄差異，這為理解兩性在行為選擇差異性上的神經(jīng)機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)?！迸擞穹逭f(shuō)。
7月28日，《自然-通訊》（Nature Communications）在線(xiàn)發(fā)表了這一研究。
“大多數(shù)動(dòng)物都有睡眠和求偶行為，這兩種行為對(duì)動(dòng)物的生存和繁衍至關(guān)重要，但一般而言動(dòng)物不可能同時(shí)進(jìn)行睡眠和求偶，所以神經(jīng)系統(tǒng)需要有一套機(jī)制精確地協(xié)調(diào)這兩種行為的發(fā)生?！蔽磪⑴c這一研究的中科院動(dòng)物研究所研究員周傳在給《知識(shí)分子》的郵件中說(shuō)。周傳是一位主要以果蠅為模型研究社會(huì)行為的神經(jīng)機(jī)制的科學(xué)家，曾與潘玉峰在霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所珍妮莉亞研究中心的同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室做博士后研究。
“以果蠅為模型首次揭示了睡眠和求偶行為互作的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制，這一研究無(wú)論是從行為范式上還是神經(jīng)機(jī)制上都對(duì)研究多種動(dòng)物行為的互作有重要的推動(dòng)作用?！敝軅髟u(píng)價(jià)說(shuō)。
? 雄性果蠅睡眠與求偶行為之間的相互影響。來(lái)源：Chen, Dandan,et al，Nature Communications, 2017
1睡眠與求偶相互影響
與之前研究動(dòng)物的單個(gè)行為不同，潘玉峰和同事這次研究的是果蠅的兩種行為之間的影響。
實(shí)際上，單一行為的研究存在一定的局限性，因?yàn)閯?dòng)物不僅僅只有一種行為，而且面臨的也不僅僅是一個(gè)特定的時(shí)刻，特定的條件，而是有著更為復(fù)雜的背景，而動(dòng)物必須在特定背景下選擇輸出對(duì)其最有利的那一種行為。
“行為與行為之間存在抉擇的問(wèn)題，而且男性和女性的選擇可能還不一樣”，潘玉峰說(shuō)，“這里頭蘊(yùn)藏著一些深層次的神經(jīng)機(jī)制，正是我們探索的目標(biāo)?！?/p>
考慮到果蠅的睡眠和求偶是目前研究的最為深刻的兩種行為，潘玉峰決定先從這兩種行為入手。他的實(shí)驗(yàn)室擅長(zhǎng)求偶行為的研究，而耶魯大學(xué)的Michael N. Nitabach實(shí)驗(yàn)室擅長(zhǎng)睡眠研究，合作就這樣開(kāi)始了。
他們提出的第一個(gè)問(wèn)題是：這兩種行為會(huì)不會(huì)相互影響？這看似是一個(gè)不證自明的問(wèn)題，但是科學(xué)要求有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明。
在剝奪了果蠅16個(gè)小時(shí)的睡眠之后，潘玉峰和同事發(fā)現(xiàn)，雄蠅的求偶行為顯著降低，但是雌性并未受到影響，在缺少睡眠20小時(shí)的情況下照樣交配。
反過(guò)來(lái)，當(dāng)雄蠅或雌蠅處于求偶的狀態(tài)時(shí)，是否會(huì)影響睡眠呢？在之前的研究中，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，果蠅中的兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子Fruitless和Doublesex調(diào)控了雄蠅的神經(jīng)元P1的發(fā)育與功能，控制著雄蠅的整個(gè)求偶過(guò)程。P1神經(jīng)元只在雄蠅腦中存在，能被雌性（而非雄性）身上傳遞出來(lái)的氣味、觸覺(jué)等信息激活。如果人工促進(jìn)雄蠅腦中P1神經(jīng)元的活性，雄蠅就會(huì)迫切想去求偶，即處于求偶的興奮狀態(tài)中。
當(dāng)研究人員上調(diào)P1的活性，他們發(fā)現(xiàn)雄蠅睡眠可以在百分之七八十，最低也得百分之五十以上的是被剝奪的。與此相反，當(dāng)雌蠅也處于一個(gè)更能夠接受雄性求偶的狀態(tài)時(shí)，“它的睡眠實(shí)際上是沒(méi)有受到影響的，反而有一點(diǎn)點(diǎn)的增加”，潘玉峰說(shuō)。
?潘玉峰（右四）與實(shí)驗(yàn)室成員
2發(fā)現(xiàn)睡眠與求偶相互作用的神經(jīng)機(jī)制
有了這些實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之后，最基本的問(wèn)題已經(jīng)有了答案：果蠅的睡眠行為可能影響求偶行為，求偶行為也可能影響睡眠行為，同時(shí)它們之間存在性別差異。
為什么出現(xiàn)這種情況？這是潘玉峰和同事接下來(lái)要解決的問(wèn)題。
他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雄蠅的睡眠被剝奪后，P1神經(jīng)元的活性也是下降的，而P1神經(jīng)元的活性直接與求偶行為正相關(guān)。研究人員認(rèn)為，這也是雄蠅在缺少睡眠的情況下求偶行為下降的一個(gè)直接證據(jù)和原因。“而雌蠅身上沒(méi)有P1神經(jīng)元，因此可能在神經(jīng)環(huán)路上并沒(méi)有被睡眠的需求所調(diào)控”，潘玉峰說(shuō)。
研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雄蠅腦內(nèi)促進(jìn)求偶的神經(jīng)元P1被激活時(shí)，神經(jīng)元DN1的活性增加。DN1是一種節(jié)律神經(jīng)元，能夠在一定程度上抑制睡眠。當(dāng)研究人員激活P1的同時(shí)抑制DN1的活性時(shí)，雄性的睡眠時(shí)間得到較大的恢復(fù)。
“P1在求偶的環(huán)路里，DN1在睡眠的環(huán)路里，它們之間發(fā)生了一個(gè)溝通，而且有趣的是，這一溝通是兩者相互激活，P1在一定程度上激活DN1，DN1反過(guò)來(lái)又一定程度上激活P1”，潘玉峰說(shuō)。
他將這一過(guò)程稱(chēng)為“一種正向的反饋”，“可能會(huì)有非常重要的生理學(xué)意義”。
“比如說(shuō)，我突然之間被異性吸引，這種興奮不是一瞬而過(guò)的，可能會(huì)在腦袋里反復(fù)回蕩一段時(shí)間。或者說(shuō)，突然因?yàn)橐粋€(gè)事情驚醒，這個(gè)驚醒的狀態(tài)也會(huì)持續(xù)一段時(shí)間”，而正向的反饋“可能是這些現(xiàn)象背后的一個(gè)機(jī)制”，潘玉峰解釋說(shuō)。
“P1是通過(guò)釋放乙酰膽堿這樣一個(gè)神經(jīng)遞質(zhì)來(lái)作用于下游的神經(jīng)元的，而DN1也釋放一種叫做DH31的神經(jīng)肽，通過(guò)釋放這個(gè)神經(jīng)肽起到抑制睡眠的作用”，潘玉峰說(shuō)。
不過(guò)，這兩類(lèi)神經(jīng)元通過(guò)什么樣的介質(zhì)實(shí)現(xiàn)溝通，如何相互反饋，仍然未知。
3雌雄果蠅的性別差異
潘玉峰和同事的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在果蠅睡眠和求偶行為相互影響的研究中，雌性和雄性存在顯著差異。
潘玉峰介紹，果蠅的性別發(fā)育主要受到基因doublesex調(diào)控，而兩性行為則受到doublesex和fruitless的共同調(diào)控。顧名思義，doublesex就是雙性，當(dāng)該基因突變時(shí)，果蠅就會(huì)發(fā)育為兼具雌雄性征的狀態(tài)；fruitless就是不育的，當(dāng)雄性缺少這個(gè)基因后，雄蠅就喪失了求偶能力，導(dǎo)致不育。
那么這兩個(gè)基因是不是也對(duì)睡眠有影響，調(diào)控了雌雄的睡眠差異呢？研究人員最后發(fā)現(xiàn)，雌蠅與雄蠅的睡眠差異確實(shí)受到這兩個(gè)基因調(diào)控。
“fruitless促進(jìn)雄性的睡眠，不影響雌性；而doublesex抑制雌性的睡眠，不影響雄性。兩者共同調(diào)控了睡眠的兩性差異?！迸擞穹褰忉屨f(shuō)。
當(dāng)然，在高等動(dòng)物中，性與睡眠的關(guān)系還有待更多的研究。
參考文獻(xiàn)：
Dandan Chen, Divya Sitaraman, Nan Chen, Xin Jin, Caihong Han, Jie Chen, Mengshi Sun, Bruce S. Baker, Michael N. Nitabach, Yufeng Pan. Genetic and neuronal mechanisms governing the sex-specific interaction between sleep and sexual behaviors in Drosophila. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-00087-5
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