人类和其他哺乳动物会经历不同的睡眠阶段，其中之一是快速眼动（REM）睡眠。斑马鱼（一种硬骨鱼模型）已被证明具有类似快速眼动的睡眠阶段，但一项新研究在鱼类中鉴定出四种不同的睡眠状态（包括三种表现出眼球运动的类型），将睡眠阶段的进化起源时间推至约4.5亿年前（在脊椎动物中高度保守）。该研究通过长期视频记录（监控夜间活动）、钙成像（跨脑区的神经活动）和眼肌电图（检测眼动），发现：
- 斑马鱼经历NREM 1（无眼动，低变异性）、NREM 2（罕见的瞬态眼动）、浅REM（低频眼动伴随高变异性）和深REM（高频眼动，与人类REM相似）睡眠状态。REM睡眠的神经标志物（脑电图去同步化，脑桥-膝枕-枕叶波）在某些状态下可以被识别。
- 这些阶段遵循一个循环规律（与哺乳动物的REM-NREM交替具有同源性）。
- 该研究挑战了长期以来认为复杂睡眠结构（尤其是快速眼动和非快速眼动）仅存在于羊膜动物（哺乳动物、鸟类、爬行动物）的观点，将其扩展至硬骨鱼（无羊膜动物），并提供了一个评估睡眠障碍（如REM行为障碍）以及开发睡眠疗法药物筛选的平台。
脊椎动物睡眠阶段的进化背景
| 类群 | 睡眠阶段 | 关键特征 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 哺乳动物 | NREM（1-3期）， REM | 脑电图慢波（NREM）， 去同步化/θ波（REM）， 肌肉张力丧失，眼动（REM）。 | 羊膜动物（哺乳动物、鸟类和爬行动物）。 |
| 鸟类 | NREM， REM | 类似哺乳动物（但REM持续时间较短）。 | 羊膜动物。 |
| 爬行动物 | NREM， REM | 部分研究显示有类似REM的状态。 | 羊膜动物。 |
| 两栖动物 | 行为睡眠样状态 | 无明确NREM/REM状态。 | 无羊膜动物。 |
| 硬骨鱼（斑马鱼） | 4种状态：N1， N2， REM1， REM2 | 伴随眼动；钙成像显示脑状态转换。 | 无羊膜动物（此前认为无复杂睡眠）；与哺乳动物同源性 >4亿年前。 |
研究方法
- 斑马鱼幼虫（5-7天龄；透明，允许全脑钙成像）。
- 长期（>24小时）视频跟踪：夜间行为的视频监控记录。
- 眼肌电图：监测眼外肌活动以检测眼动。
- 全脑钙成像（GCaMP转基因斑马鱼系），用光片显微镜或共聚焦显微镜检测神经元活动（识别出与睡眠阶段相关的不同脑状态）。
4种睡眠状态的定义和特征
| 睡眠状态 | 眼动频率 | 神经活动模式（钙成像） | 备注 |
|---|---|---|---|
| NREM 1 | 无眼动 | 低变异性，慢波活动 | 类似哺乳动物NREM 1期 |
| NREM 2 | 罕见的瞬态眼动 | 中等变异性，纺锤波样活动 | 类似哺乳动物NREM 2期 |
| 浅REM | 低频眼动 | 高变异性，去同步化 | 类似哺乳动物REM起始期 |
| 深REM | 高频眼动 | 高变异性，θ波活动 | 类似哺乳动物REM期 |
该研究为理解睡眠的进化起源和机制提供了重要见解，并可能为睡眠障碍的研究和药物筛选提供新的动物模型。