在大多数非哺乳动物模式生物中，睡眠被操作性地定义为持续的运动静止（如≥1分钟）并伴随唤醒阈值升高。然而，与哺乳动物早已确立的根据眼球运动细分睡眠的研究相比，非哺乳动物中是否存在睡眠相关的眼球运动以及更广泛意义上的离散睡眠亚状态，仍然存在争议。
2026年5月5日，哈佛大学和布朗大学的研究团队在《自然-通讯》上发表了一项重要研究，首次对斑马鱼在自然睡眠期间的眼球运动进行了系统性调查。他们发现，在亮-暗循环、持续光照和持续黑暗等多种条件下，斑马鱼存在四种离散的、保守的睡眠亚状态，具有独特的昼夜节律组织，揭示了此前未被认识的幼虫睡眠结构。
核心发现：四种离散的睡眠亚状态
研究人员开发了一种大规模高分辨率行为成像平台，能够连续多天监测多达20只自由游动的幼虫。通过对运动静止期（≥1分钟）的联合分析，他们识别出四种睡眠亚状态：
- QEM-1：具有时间规律的共轭眼球扫视，高频率，短注视期。主要在白天表达，占白天睡眠的81%。
- QEM-2：扫视时间不规律且衰减快。夜间为主，并朝向早晨增加。
- QEM-3：扫视时间不规律，频率低，但注视期长。主要在夜间表达。
- QNEM：完全没有眼球运动。夜间占主导地位，占夜间睡眠的64%。
昼夜节律与光照的联合调控
通过机器学习模型分析，研究发现所有四种睡眠亚状态的表达都显著依赖于三个因素：昼夜节律时间、环境光照和进入新环境的适应时间。
- 昼夜节律主导：QNEM的分布更多依赖于昼夜节律时间，而QEM-1更多依赖于环境光照。
- 物种保守性：这一睡眠结构在多个丹尼奥属物种和不同品系的斑马鱼中普遍保守，表明这是一种进化上保守的睡眠组织形式。
QEM-1：被忽视的“白天睡眠”
尽管发生在白天，QEM-1（占白天总睡眠量81%）满足睡眠的多个关键标准：
- 高唤醒阈值：对视觉暗闪和机械声学刺激的惊跳反应概率显著低于清醒状态。
- 部分姿势控制丧失：身体滚动角度显著增加，表明肌肉张力降低。
- 稳态调节：白天睡眠剥夺后，QEM-1的持续时间和概率显著反弹。
- 去甲肾上腺素能抑制：蓝斑核的活动在QEM-1期间显著受抑制。
- 全脑活动：绝大多数神经元活动受到广泛抑制，但有一小群神经元在QEM-1期间保持活跃并编码状态进展。
神经编码机制
通过全脑钙成像，研究揭示了QEM-1的神经动力学特征。QEM-1并非一个简单的固定点状态，而是具有内部时间结构。全脑主成分分析显示，在低维状态空间下，神经活动在QEM-1期间沿着高度结构化的轨迹随时间演化，这种“内部时钟”编码仅通过神经活动即可精准解码QEM-1内的相对时间进程，而仅凭行为数据无法做到这一点。
意义与展望
这项研究建立了眼球运动动力学这一简单、可扩展的行为读出来揭示保守的多状态睡眠结构，为理解脊椎动物在哺乳动物之外如何组织睡眠提供了高级框架，并为剖析单个睡眠亚状态的神经动力学和功能奠定了基础。未来的研究可以探索QEM-2在清晨增加的功能意义，是否与REM睡眠类似，或代表着向清醒的过渡状态；研究在自由行为动物中长时间记录时抑制或激活特定神经元群体，如何影响QEM-1的表达及其稳态调节；以及QEM亚状态的异常可能作为精神疾病或神经系统疾病模型的新行为标记。
参考文献
- Bahl, A., et al. (2026). Eye movement kinematics reveal novel circadian organization of sleep substates. Nature Communications, 17, 4068.