科學前沿：性，還是睡？這是個問題

?求偶的果蠅。來源：潘玉峰實驗室

撰文 | 陳曉雪

責編 | 李曉明

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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關於中國的創業者，網上曾有這樣一個段子：加班多，睡得少，沒有性生活，越吃越多，越來越胖。

這句話包含了動物以及人類的三種基本行為：睡眠、求偶、吃飯。

那麼，當我們又餓又困之時，還會興緻勃勃地繁衍下一代嗎？這是個問題。

實際上，這種行為選擇或者行為之間的「優先順序排序」存在於每個人、每一天的生活中。神經生物學家要研究的，就是了解動物以及人類行為是如何產生以及被調控的。

目前，科學家利用動物模型研究兩性相關行為、打鬥、覓食以及學習記憶等行為的神經環路以及分子機制均取得了重大進展。但是，動物以及人類如何在多種行為之間的進行抉擇，不同行為在神經環路水平是如何溝通的，這些問題一直懸而未決。

最近，東南大學的神經生物學家潘玉峰與耶魯大學、霍華德·休斯醫學研究所（HHMI）珍妮莉亞（Janelia）研究中心的合作者們取得了突破。

「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環路之間確實存在相互作用，而這種相互作用決定了哪種行為將優先輸出。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機制提供了理論基礎。」潘玉峰說。

7月28日，《自然-通訊》（Nature Communications）在線發表了這一研究。

「大多數動物都有睡眠和求偶行為，這兩種行為對動物的生存和繁衍至關重要，但一般而言動物不可能同時進行睡眠和求偶，所以神經系統需要有一套機制精確地協調這兩種行為的發生。」未參與這一研究的中科院動物研究所研究員周傳在給《知識分子》的郵件中說。周傳是一位主要以果蠅為模型研究社會行為的神經機制的科學家，曾與潘玉峰在霍華德·休斯醫學研究所珍妮莉亞研究中心的同一個實驗室做博士後研究。

「以果蠅為模型首次揭示了睡眠和求偶行為互作的神經環路機制，這一研究無論是從行為範式上還是神經機制上都對研究多種動物行為的互作有重要的推動作用。」周傳評價說。

? 雄性果蠅睡眠與求偶行為之間的相互影響。來源：Chen, Dandan,et al，Nature Communications, 2017

1 睡眠與求偶相互影響

與之前研究動物的單個行為不同，潘玉峰和同事這次研究的是果蠅的兩種行為之間的影響。

實際上，單一行為的研究存在一定的局限性，因為動物不僅僅只有一種行為，而且面臨的也不僅僅是一個特定的時刻，特定的條件，而是有著更為複雜的背景，而動物必須在特定背景下選擇輸出對其最有利的那一種行為。

「行為與行為之間存在抉擇的問題，而且男性和女性的選擇可能還不一樣」，潘玉峰說，「這裡頭蘊藏著一些深層次的神經機制，正是我們探索的目標。」

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。他的實驗室擅長求偶行為的研究，而耶魯大學的Michael N. Nitabach實驗室擅長睡眠研究，合作就這樣開始了。

他們提出的第一個問題是：這兩種行為會不會相互影響？這看似是一個不證自明的問題，但是科學要求有實驗數據來說明。

在剝奪了果蠅16個小時的睡眠之後，潘玉峰和同事發現，雄蠅的求偶行為顯著降低，但是雌性並未受到影響，在缺少睡眠20小時的情況下照樣交配。

反過來，當雄蠅或雌蠅處於求偶的狀態時，是否會影響睡眠呢？在之前的研究中，科學家們已經發現，果蠅中的兩個轉錄因子Fruitless和Doublesex調控了雄蠅的神經元P1的發育與功能，控制著雄蠅的整個求偶過程。P1神經元只在雄蠅腦中存在，能被雌性（而非雄性）身上傳遞出來的氣味、觸覺等信息激活。如果人工促進雄蠅腦中P1神經元的活性，雄蠅就會迫切想去求偶，即處於求偶的興奮狀態中。

當研究人員上調P1的活性，他們發現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，當雌蠅也處於一個更能夠接受雄性求偶的狀態時，「它的睡眠實際上是沒有受到影響的，反而有一點點的增加」，潘玉峰說。

?潘玉峰（右四）與實驗室成員

2 發現睡眠與求偶相互作用的神經機制

有了這些實驗基礎之後，最基本的問題已經有了答案：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，同時它們之間存在性別差異。

為什麼出現這種情況？這是潘玉峰和同事接下來要解決的問題。

他們發現，當雄蠅的睡眠被剝奪後，P1神經元的活性也是下降的，而P1神經元的活性直接與求偶行為正相關。研究人員認為，這也是雄蠅在缺少睡眠的情況下求偶行為下降的一個直接證據和原因。「而雌蠅身上沒有P1神經元，因此可能在神經環路上並沒有被睡眠的需求所調控」，潘玉峰說。

研究進一步發現，當雄蠅腦內促進求偶的神經元P1被激活時，神經元DN1的活性增加。DN1是一種節律神經元，能夠在一定程度上抑制睡眠。當研究人員激活P1的同時抑制DN1的活性時，雄性的睡眠時間得到較大的恢復。

「P1在求偶的環路里，DN1在睡眠的環路里，它們之間發生了一個溝通，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反過來又一定程度上激活P1」，潘玉峰說。

他將這一過程稱為「一種正向的反饋」，「可能會有非常重要的生理學意義」。

「比如說，我突然之間被異性吸引，這種興奮不是一瞬而過的，可能會在腦袋裡反覆回蕩一段時間。或者說，突然因為一個事情驚醒，這個驚醒的狀態也會持續一段時間」，而正向的反饋「可能是這些現象背後的一個機制」，潘玉峰解釋說。

「P1是通過釋放乙醯膽鹼這樣一個神經遞質來作用於下游的神經元的，而DN1也釋放一種叫做DH31的神經肽，通過釋放這個神經肽起到抑制睡眠的作用」，潘玉峰說。

不過，這兩類神經元通過什麼樣的介質實現溝通，如何相互反饋，仍然未知。

3 雌雄果蠅的性別差異

潘玉峰和同事的實驗結果表明，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，果蠅的性別發育主要受到基因doublesex調控，而兩性行為則受到doublesex和fruitless的共同調控。顧名思義，doublesex就是雙性，當該基因突變時，果蠅就會發育為兼具雌雄性徵的狀態；fruitless就是不育的，當雄性缺少這個基因後，雄蠅就喪失了求偶能力，導致不育。

那麼這兩個基因是不是也對睡眠有影響，調控了雌雄的睡眠差異呢？研究人員最後發現，雌蠅與雄蠅的睡眠差異確實受到這兩個基因調控。

「fruitless促進雄性的睡眠，不影響雌性；而doublesex抑制雌性的睡眠，不影響雄性。兩者共同調控了睡眠的兩性差異。」潘玉峰解釋說。

當然，在高等動物中，性與睡眠的關係還有待更多的研究。

參考文獻：

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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