海狗研究解開睡眠之謎

林翰佐/銘傳大學生物科技學系副教授,本刊總編輯。

(與《科學月載刊》583期共同刊)

「人的一生不外是吃飯睡覺」,從這個觀點來看,睡覺,應該是我們最熟悉的生理現象之一。粗略的估算,一般人在一生當中,約有30%的時間處於這樣的生理狀態之中。睡眠品質與我們的生活品質息息相關,長期的睡眠不良會降低我們對事物的專注程度,使得食慾增加,並且讓我們的脾氣變得更為暴躁與易怒。流行病學的研究顯示,臺灣目前慢性睡眠障礙的盛行率為20.2%,平均每5個人當中就有一位民眾長年深受失眠之苦。透過科學的研究,目前我們對於睡眠的生理現象已經有一定程度的了解,但對於它的全貌仍有許多未解之謎。我們為什麼需要睡眠?我們需要多久的睡眠?拿破崙(Napoleon Bonaparte)所宣稱的一天只睡4小時,到底是勤勉的象徵?抑或是對身體健康的慢性戕害?

睡眠的兩種生理狀態
透過腦波圖(electroencephalography, EEG)的幫助,科學家們很早以前就發現人類的睡眠是由2種截然不同的生理狀態交替出現而完成,並且依據其特徵,區分為快速動眼期(rapid eye movement, REM)以及非快速動眼期(non-rapid eye movement, NREM)。在一段完整的睡眠當中,人類大約需要經歷4~5次的「非快速動眼期–快速動眼期」的循環。非快速動眼期的生理狀態,在概念上似乎比較與我們傳統對「休息」的想像相符合;這時期的腦波所呈現的是和緩的、特殊的波形;而快速動眼期則是相當有趣的一種生理狀態,從腦波圖的研究顯示,此時大腦的活動與人清醒時的狀態其實沒有甚麼差別,所以又被稱為「弔詭的睡眠(paradoxical sleep)」。快速動眼期的存在對人類睡眠的品質其實相當重要,科學家嘗試著用一種稱為剝奪快速動眼期的睡眠實驗:受試者需頭戴腦波電極入睡,然後在進入快速動眼期時將其強制喚醒。研究結果顯示,當這些被喚醒的受試者再度進入夢鄉時,由於先前的快速動眼期被干擾中斷,造成有補償性的生理反應發生,在生理學上稱之為快速動眼期反彈(REM rebound)的睡眠現象;這些受試者在整晚睡眠當中,快速動眼期所花費的時間則比一般睡眠時平均增加19.2~26.6%。

動物的睡眠
世界上形形色色的動物在睡眠表現上也具有南轅北轍上的差異。概略的來說,高等脊椎動物(哺乳動物、鳥類及部分的爬蟲類)才具有快速動眼期的睡眠。當然,快速動眼期在不同物種的睡眠占比有相當大的差異。從資料中可發現,掠食者的睡眠中,其所佔的比例較被捕食者來得高。而在動物發育過程當中,快速動眼期在整個睡眠當中所出現的時機也會隨著物種有相當程度的不同,例如鴨嘴獸,這種相當於原始的哺乳動物,幼年期時期每天的快速動眼期睡眠可高達8小時;而海洋哺乳動物當中,鯨豚類動物的幼兒則直至發育階段的晚期,才會有快速動眼期的睡眠現象發生。如同人類,快速動眼期對動物的睡眠也是相當的重要。在針對大鼠(rat)進行連續一周的剝奪快速動眼期的睡眠實驗中,科學家發現受試大鼠會有體重減輕、失溫甚至死亡的發生,顯示快速動眼期對高等動物的重要性。

北方海狗的睡眠研究
不僅如此,生活在海洋中的哺乳動物,其睡眠其實跟生活在陸地上的生物有很大的不同。先前的研究顯示,鯨豚類的生物具有「半腦入眠」的特異功能,運用輪班的方式讓左右半球的大腦輪流的睡覺,以因應海上生活中需要時時保持警覺的特殊要求。畢竟對於用肺呼吸的生物而言,水中的環境仍具有相當的危險性,再怎麼疲累,還是要定期的呼吸換氣,以免被淹死。北方海狗(Callorhinus ursinus),是一種生活於北太平洋中、體型最大的海狗並且會隨著季節遷徙的動物,每年冬天會到達美國加州中部的海灘避寒,然後在夏季時會回到太平洋北端白令海峽區域生活。一年當中,北方海狗會花費8個月的時間進行往返南北的長途旅行,這段期間北方海狗會維持與海岸線保持至少10英里以上的距離,從不上岸落腳,行蹤相當的神祕。

如同鯨豚類動物一樣,北方海狗在演化上也發展出「半腦入眠」的特異功能,來因應長期的海上生活上的凶險,此時海狗的睡眠當中,也如同鯨豚動物一般,鮮少有快速動眼期形態的睡眠出現。不過,當北方海狗恢復陸地生活時,睡眠的型態則恢復到2種動眼期交替出現的現象,就如同一般陸地哺乳動物的睡眠狀態。基於北方海狗生理上的特殊性,使得科學家們想透過北方海狗的睡眠研究,來瞭解哺乳動物睡眠當中快速動眼期發生的生理意義之謎。

科學家們以機構中豢養的4隻北方海狗進行相關研究,並設計了一個可供高度調整的平台,來操控這些海狗在陸地或水中進行睡眠。這些受試的北方海狗在研究進行時也需要安裝各式的電極,監控腦波、心電圖以及肌電圖的訊息變化,即時掌握受試海狗的生理狀態。這篇登在於《當今生物學》(Current Biology)期刊的最新研究結果令人玩味,當他們針對陸地睡眠狀態下的海狗進行剝奪快速動眼期的睡眠時,研究顯示受試海狗再度入睡之後,並未出現先前出現於人類與大鼠研究中快速動眼期反彈的睡眠現象,且在實驗連續進行長達數周後,北方海狗也沒有如同在大鼠研究中,具有體重減輕等不良影響,從外部觀察或生理監控所得到的數據,均無法看到剝奪快速動眼期後對北方海狗有任何的生理影響。

快速動眼期在高等動物睡眠當中所扮演的角色目前仍眾說紛紜;有些科學家認為快速動眼期的存在跟學習與記憶重整有關,也有人認為快速動眼期與生理上的節律性相連結,不過不論是哪種可能,顯然的,對北方海狗而言,快速動眼期在睡眠上的重要性似乎是不存在的。執行本研究的加州大學(University of California)西格爾(Jerome Siegel)教授研究團隊提出一個相當有趣的解釋來說明這樣的現象,他們認為生活在寒冷地區的北方海狗,在陸地睡眠中快速動眼期的發生可能與保持大腦溫度有關,海上生活時由於隨時有一個大腦保持運作,似乎就沒有快速動眼期發生用以提升大腦溫度的必要。當然,並非所有的學者都會認同這樣的說法。無疑的,北方海狗的特殊體質,或許正可以成為我們釐清快速動眼期在高等脊椎動物中所扮演的真正角色,成為未來更為深入了解睡眠生理現象的一塊敲門磚。

延伸閱讀
1. 快速動眼期,https://bit.ly/2E2Ad6A。
2. Alex Fox, Fur seals can go weeks without REM sleep, Nature, 2018/6/7.

沒有留言:

張貼留言