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動物為什麼要睡覺？我們為什麼要把三分之一的生命「浪費」在睡覺上？這個問題被認為是生命科學中最重要的未解之謎。揭開這一謎團也已成了炙手可熱的研究課題。
已知睡眠對於所有有神經系統的生物，包括無脊椎動物，如蒼蠅、蠕蟲，甚至是水母，都是普遍和必不可少的行為。
發表在《Nature Communications》上的一項研究中，以色列巴伊蘭大學的研究人員揭示了一種意想不到的睡眠功能。他們認為這一發現可以解釋睡眠和睡眠障礙是如何影響大腦能力、衰老以及各種腦部疾病。研究人員通過使用活體斑馬魚的3D延時成像技術以單染色體解析度定義睡眠，並首次證實單個神經元也需要睡眠才能夠維持細胞核。
活體斑馬魚的單個神經元（虛線框內的紅色）中的染色體動力學。圖片來源： David Zada
DNA損傷可以由許多過程引起，包括輻射，氧化應激，甚至神經元活動。正常情況下，細胞內的DNA修復系統會修復這種損傷。目前的研究表明，在清醒時，染色體活性（染色體動力學）較低，DNA損傷會持續積累，甚至達到不安全的水平。
睡眠的作用是增加染色體活性，使每個神經元中的DNA損傷恢復正常水平。顯然，這種DNA維持過程在「在線」的清醒階段是不夠高效的，需要在減少大腦輸入的「離線」睡眠階段才能發生。
研究通訊作者、巴伊蘭大學生命科學學院以及Gonda 多學科大腦研究中心的Lior Appelbaum教授說：「DNA損傷有點像路上凹陷不平的坑。道路不斷積累磨損，尤其是在白天交通高峰的時候，而最合適且最有效的修復時間是在夜裡，因為此時交通流量稀少。」
活體斑馬魚體內染色體動力學（紅色）和神經元活動（綠色）。圖片來源：David Zada
Appelbaum將DNA損傷的積累稱為「清醒的代價」。他和他的博士生、該研究的第一作者David Zada推測睡眠能夠鞏固和同步單個神經元中的核維持，並決定著手驗證這一理論。
他們取得的這項發現要歸功於斑馬魚模型的特徵。因為它的身體是透明的，且大腦結構與人類非常相似，所以斑馬魚是在生理條件下研究活體動物單細胞的理想生物體。通過高解析度顯微鏡，研究人員可以在斑馬魚清醒和睡眠的時候觀察到細胞內DNA和核蛋白的運動。研究人員驚訝地發現，染色體在夜間身體處於休息時更加活躍，這種增加的動力學使修復DNA損傷的效率更高。
結果表明，染色體運動學是定義單個睡眠細胞的潛在標誌物，而睡眠的恢復功能就是核維持。Appelbaum教授說：「我們已經發現睡眠、染色體動力學、神經元活動、DNA損傷和修復與整個生物體的生理直接相關。睡眠恰恰提供了一個減少清醒時大腦DNA損傷的機會。」
Appelbaum教授總結說：「儘管存在對環境意識降低的風險，但動物必須睡覺以使其神經元能夠進行有效的DNA維持，而這可能就是睡眠在演化過程中一直被保留在動物王國中的原因。」
參考文獻：
https://doi.org/10.1038/s41467-019-08806-w