Γιατί πεθαίνουμε χωρίς ύπνο;

Γιατί χρειαζόμαστε ύπνο; Στη μακρά αναζήτησή τους για απαντήσεις, οι επιστήμονες έχουν συχνά αποκαλύψει μόνο περισσότερα μυστήρια που προκαλούν σκέψη σχετικά με το τι είναι ο ύπνος, πώς εξελίχθηκε και τα οφέλη που παρέχει. Σε αυτό το επεισόδιο, ο Steven Strogatz — ο γνωστός μαθηματικός, συγγραφέας και οικοδεσπότης του The Joy of Why — μιλά με την Dragana Rogulja, επίκουρη καθηγήτρια νευροβιολογίας στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ, η οποία πρόσφατα ανακάλυψε πώς η στέρηση ύπνου προκαλεί θάνατο στις μύγες των φρούτων. Στη συνέχεια, συνεχίζει τη συζήτηση με τον Alex Keene, έναν νευρογενετιστή στο Πανεπιστήμιο A&M του Τέξας που μελετά τα ψάρια των σπηλαίων για να κατανοήσει περισσότερα για την εξελικτική ιστορία του ύπνου.

Ακούστε στο Apple Podcasts, το Spotify, το Google Podcasts, το Stitcher, το TuneIn ή την αγαπημένη σας εφαρμογή podcasting ή μπορείτε να το κάνετε ροή από το Quanta .

Μεταγραφή

Στίβεν Στρόγκατζ (00:03):Είμαι ο Steve Strogatz, και αυτό είναι The Joy of Why , ένα podcast από το Quanta Magazine που σας οδηγεί σε μερικά από τα μεγαλύτερα αναπάντητα ερωτήματα στις επιστήμες και τα μαθηματικά σήμερα. Σήμερα, θα μιλήσουμε για τον ύπνο.

Γιατί κοιμόμαστε άλλωστε; Περνάμε περίπου το ένα τρίτο της ζωής μας στον ύπνο, οπότε φαίνεται ότι πρέπει να είναι πολύ σημαντικό. Αλλά υπάρχουν ακόμα τόσα πολλά σχετικά με αυτό που δεν καταλαβαίνουμε. Ένα πράγμα για το οποίο είναι αρκετά σίγουροι οι ερευνητές ύπνου είναι ότι κάθε σύστημα στο σώμα μας φαίνεται να επηρεάζεται από τον ύπνο. Όταν χάνουμε τον ύπνο μας, βλάπτει την κυκλοφορία, την πέψη, το ανοσοποιητικό σύστημα, τον μεταβολισμό και φυσικά τη λειτουργία του εγκεφάλου. Και η στέρηση ύπνου δεν χρειάζεται να είναι μακροπρόθεσμη για να προκαλέσει ζημιά. Στην πραγματικότητα, αν μείνετε χωρίς ύπνο για αρκετή ώρα, θα πεθάνετε. Αλλά γιατί ακριβώς;

Η Dragana Rogulja ξέρει κάτι για αυτό. Θα μιλήσουμε μαζί της σε ένα λεπτό. Είναι αναπληρώτρια καθηγήτρια νευροβιολογίας στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ. Μελετά γιατί πρέπει να κοιμόμαστε και πώς ο εγκέφαλος αλλάζει μεταξύ του ύπνου και του ξύπνιου. Εξετάζει επίσης τις θανατηφόρες συνέπειες των ελλείψεων ύπνου.

Αργότερα, θα ακούσουμε τον Alex Keene του Πανεπιστημίου A&M του Τέξας, ο οποίος μελετά τη νευρωνική ρύθμιση του ύπνου και τον ρόλο που διαδραματίζει στη μεγαλύτερη εικόνα για το πώς έχει εξελιχθεί ο ύπνος. Το κάνει κοιτάζοντας σε ένα απροσδόκητο μέρος - σε ψάρια που ζουν σε σπηλιές στο Μεξικό. Αλλά πρώτα, Dragana Rogulja, σας ευχαριστούμε πολύ που ήρθατε σήμερα μαζί μας.

Dragana Rogulja (01:35):Ευχαριστώ πολύ που με προσκάλεσες. Αυτό είναι απίστευτο.

Strogatz (01:38):Ναι, είμαι πολύ ενθουσιασμένος που θα σας μιλήσω για τη δουλειά σας. Αλλά πρώτα, ήλπιζα ότι θα μπορούσαμε να μιλήσουμε γενικά για τον ύπνο γενικά. Όπως, όλοι καταλαβαίνουμε ότι, ξέρετε, θυμάμαι ότι ρώτησα τη μητέρα μου, "Γιατί πρέπει να πάω για ύπνο;" όταν ήμουν μικρό παιδί. Και είπε, καλά, επειδή είσαι κουρασμένη, θα σε βοηθήσει να ξεκουραστείς. Αλλά ο ύπνος φαίνεται σαν κάτι πραγματικά διαφορετικό από την απλή ξεκούραση. Γιατί στον ύπνο, έχουμε όλη αυτή την αλλοιωμένη κατάσταση συνείδησης. Πώς διαφέρει πραγματικά ο ύπνος από την ανάπαυση;

Rogulja (02:07):Λοιπόν, μάλλον κάθεστε αυτή τη στιγμή και ξεκουράζεστε με κάποιο τρόπο. Αλλά σίγουρα δεν κοιμάσαι, σωστά; Λοιπόν, ναι, τι είναι αυτό που είναι τόσο διαφορετικό; Και θα έλεγα ότι, για μένα, αυτό που είναι το πιο καθοριστικό χαρακτηριστικό του ύπνου είναι αυτό το είδος της απώλειας επίγνωσης του εξωτερικού περιβάλλοντος και της εσωτερικής σας κατάστασης, με πολλούς τρόπους.

Συνήθως, όταν μελετάμε τον ύπνο σε ανθρώπους ή άλλα θηλαστικά, κάνουμε αυτές τις καταγραφές όπου κοιτάμε την ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου, σωστά, και μπορείτε να δείτε αυτά τα κύματα να αλλάζουν και δεν μπορείτε να το κάνετε αυτό σε απλά ζώα που κοιμούνται. Ωστόσο, γνωρίζουμε ότι πραγματικά εισέρχονται σε αυτές τις καταστάσεις όπου αποσυνδέονται. Σταματούν να κινούνται, αλλά μπορείς να σταματήσεις να κινείσαι ούτως ή άλλως, σωστά; Έτσι, σταματάς να κινείσαι, αλλά αυτό συνδυάζεται με αυτή την απώλεια της επίγνωσης, τη χαλάρωση του σώματος. Και νομίζω ότι είναι δύσκολο πράγμα, να ρωτάς γιατί. Νομίζω ότι θέλουμε να καταλάβουμε το γιατί. Αλλά ο τρόπος με τον οποίο θέλουμε να φτάσουμε στο γιατί είναι να ρωτήσουμε πώς. Ποια είναι τα πιο πρωτόγονα πράγματα για τον ύπνο που μπορούμε να καταλάβουμε;

Strogatz (03:09):Παρατηρώ ότι αναφέρετε άλλα ζώα εκτός από ανθρώπους. Θέλω να πω, έχουμε αυτή την πολύ, φυσικά, ανθρωποκεντρική άποψη για το τι σημαίνει ύπνος, σκεφτόμαστε τα όνειρά μας. Αλλά όπως λέτε, ίσως για να καταλάβουμε πώς θα έπρεπε να κοιτάμε, ενδεχομένως, τα άλλα ζώα; Ποιος κοιμάται στον κόσμο των ζώων;

Rogulja (03:24):Αυτό που πιστεύουμε σήμερα είναι ότι ο ύπνος είναι τόσο παλιός όσο και τα ίδια τα ζώα. Υπάρχουν λοιπόν αυτά τα ζώα που αναφέρουμε ως ζωντανά απολιθώματα, επειδή υποτίθεται ότι δεν έχουν αλλάξει πολύ σε όλη την εξέλιξη των ζώων. Και καθώς βλέπουμε τα απλά ζώα, όπως οι μέδουσες, και την Ύδρα τώρα, έτσι και τα ζώα που έχουν πολύ, πολύ πρωτόγονο νευρικό σύστημα. Είναι πολύ σαφές ότι επιδίδονται σε αυτές τις μορφές συμπεριφοράς που θα έλεγα, για όλους τους πρακτικούς σκοπούς είναι πραγματικά σαν τον ύπνο μας. Αποσυνδέονται, σταματούν να δίνουν προσοχή σε ό,τι συμβαίνει γύρω τους, δεν μπορούν να ανταποκριθούν στην εξωτερική διέγερση, εκτός και αν αυτή η διέγερση είναι πολύ ισχυρή. Βλέπουμε λοιπόν ότι βασικά στα πιο απλά ζώα.

Strogatz (03:25):Αυτό είναι καταπληκτικό. Δεν είχα πραγματικά ακούσει για αυτό

Rogulja (03:26):Το μεγαλύτερο πρόβλημα για μένα είναι ότι υπάρχει υπερβολική εστίαση στη σχέση μεταξύ εγκεφάλου και ύπνου, επειδή τείνουμε να το σκεφτόμαστε από την ανθρωποκεντρική μας οπτική, όπως είπατε, επειδή ονειρευόμαστε, κ.λπ. Αλλά αν δεχθούμε το γεγονός ότι αυτά τα απλά ζώα κοιμούνται, τότε πρέπει πραγματικά να σκεφτούμε πέρα ​​από τον εγκέφαλο γιατί δεν εμφανιστήκαμε με αυτούς τους μεγάλους, όμορφους εγκεφάλους, ξέρετε, από το πουθενά.

Strogatz (04:33):Ναι, είναι ένα πραγματικά ενδιαφέρον σημείο. Λοιπόν, εντάξει, ας προσπαθήσουμε λοιπόν να σκεφτούμε λίγο λιγότερο τον εγκέφαλο. Ο Allan Hobson είχε αυτή την παρατήρηση ότι ο ύπνος είναι «του εγκεφάλου, για τον εγκέφαλο και του εγκεφάλου».

Rogulja (04:44):Ναι, δεν νομίζω ότι είναι σωστό. Δεν νομίζω ότι είναι σωστό. Δεν νομίζω ότι είναι σωστό. Θέλω να πω, είναι για τον εγκέφαλο σίγουρα. Αλλά είναι και για πολλά άλλα — για όλα τα άλλα, ξέρετε, κομμάτια του σώματός μας, νομίζω, πραγματικά. Οπότε δεν νομίζω ότι είναι σωστό. Ακόμη και λέγοντας ότι είναι από τον εγκέφαλο ή τον εγκέφαλο, εννοώ ζώα που δεν έχουν εγκέφαλο, που έχουν πολύ απλά νευρικά συστήματα, πολύ απλά νευρικά συστήματα, πραγματικά υποτυπώδες νευρικό σύστημα, κοιμούνται. Οπότε υποθέτω ότι αυτό θα μπορούσε να είναι ένα είδος σημασιολογικού ζητήματος, ξέρετε, είναι εγκέφαλος ή όχι εγκέφαλος, αλλά δεν νομίζω ότι είναι μόνο για το νευρικό σύστημα.

Και στην πραγματικότητα, έχουμε κάποια στοιχεία τώρα ότι, ξέρετε, δεν είναι μόνο ο εγκέφαλος, άλλα σημεία του σώματος μπορούν να ρυθμίσουν τον ύπνο. Θέλω να πω, εμείς και άλλοι έχουμε αποδείξεις για αυτό, ότι, ξέρετε, τα σήματα για τη ρύθμιση του ύπνου μπορεί να προέρχονται από άλλα μέρη του σώματος. Και δεν είναι μόνο για τον εγκέφαλο, έχουμε επίσης στοιχεία για αυτό.

Strogatz (05:35):Τόσα πολλά στοιχεία έχουν συσσωρευτεί τώρα, χάρη στη δουλειά από εσάς και τους συναδέλφους σας. Χρησιμοποιήσατε ένα υπέροχο πρότυπο οργανισμό, το λέμε από την ανθρωποκεντρική μας οπτική. Εννοώ, δεν ξέρω αν θεωρούν τους εαυτούς τους ως πρότυπους οργανισμούς:τη μύγα των φρούτων, γνωρίζουμε τόσα πολλά γι 'αυτούς γενετικά, αναπτυξιακά. Και τώρα τα χρησιμοποιείτε για να μας διδάξετε τι μπορεί να είναι ο ύπνος.

Rogulja (05:59):Ναι. Έτσι, αποδείχθηκε πριν από αρκετές δεκαετίες ότι ο ύπνος στις μύγες εξαφανίζει όλα αυτά τα κουτιά. Ξέρετε, υπάρχουν ορισμένα κριτήρια που πρέπει να περάσετε για να θεωρηθείτε ότι κοιμάστε. Και αποδείχθηκε ότι αυτό συμβαίνει πραγματικά στις μύγες. Μπαίνουν σε αυτές τις καταστάσεις όπου μένουν ακίνητοι για πολλές ώρες και φυσικά, το να είσαι ακίνητος δεν σημαίνει ότι κοιμάσαι. Αλλά και πάλι, μπαίνουν σε αυτήν την κατάσταση όπου αποσυνδέονται από το εξωτερικό τους περιβάλλον σε μεγάλο βαθμό. Το ίδιο πράγμα που συμβαίνει και σε εμάς, σωστά; Όταν κοιμάστε, απλώς — δεν ανταποκρίνεστε σε ερεθίσματα.

Είναι επιδεκτικά όλων των ειδών γενετικών χειρισμών. Και έγινε σαφές ότι χρειάζονται ύπνο, με μια έννοια ότι αν τους εμποδίσεις να κοιμηθούν, μπορεί να συμβούν άσχημα πράγματα και να πεθάνουν. Χρησιμοποιούμε μύγες, κυρίως, στο εργαστήριο. Και μετά, όταν βρίσκουμε κάτι που πιστεύουμε ότι είναι κάπως, ξέρετε, μια σημαντική ανακάλυψη, τότε δοκιμάζουμε αυτά τα ευρήματα σε ποντίκια, και αυτό μας δίνει περισσότερη αυτοπεποίθηση. Και μέχρι στιγμής, τα πράγματα που διασταυρώνουμε, είναι σχεδόν το ίδιο, ξέρετε, και πραγματικά έχω καταλήξει να πιστεύω ότι οι μύγες είναι ακριβώς όπως εμείς. Επιπλέον, μπορούν να πετάξουν. Οπότε είναι πολύ, πολύ ωραίο.

Strogatz (07:08):Αυτό είναι καταπληκτικό. Εννοώ, επειδή είναι — όχι πολλά — εκτός από την ταινία The Fly , εννοώ — πολλοί άνθρωποι δεν θα θεωρούσαν τον εαυτό τους συνδεδεμένο με μύγες, αλλά είναι φανταστική η ενότητα της ζωής στη Γη, το πώς μπορούμε να μάθουμε τόσα πολλά για τον εαυτό μας από μύγες και ποντίκια. Θέλω να πω, είμαστε κατά βάθος συγγενείς.

Rogulja (07:26):Ω, θεέ μου, απολύτως. Σκέφτομαι ότι είμαστε όλοι – ουσιαστικά είμαστε όλοι ίδιοι. Όσο περισσότερη βιολογία γνωρίζετε, τόσο λιγότερο μπορείτε να σκεφτείτε, νομίζω, τον εαυτό σας ξεχωριστό από οτιδήποτε άλλο.

Strogatz (07:39):Ας υποθέσουμε ότι κάνετε τα είδη των πειραμάτων που έχετε κάνει και ότι οι άνθρωποι πριν από εσάς έκαναν εδώ και δεκαετίες, όπου στερείτε τον ύπνο από ένα ζώο, σε αυτήν την περίπτωση μια μύγα ή ίσως ένα ποντίκι, και μετά ρωτήστε , αν το κάνεις αρκετά, αν τους κάνεις να μείνουν χωρίς ύπνο για αρκετή ώρα και πεθάνουν από αυτό, τι ακριβώς τους σκότωσε; Και έχετε μια ιδέα, μια πολύ σημαντική ιδέα

Rogulja (08:04):Ναι, από εκεί ακριβώς ξεκινήσαμε. Έτσι, όταν ξεκίνησα το εργαστήριό μου, αυτή είναι μια ερώτηση που με ενδιέφερε εδώ και πολύ καιρό. Γιατί, σωστά; Γιατί πρέπει να κοιμάστε; Και το «γιατί» είναι ερμηνεία, σωστά; Μπορούμε να πούμε, εντάξει, γι' αυτό συμβαίνει. Αλλά αυτό που πραγματικά μπορούμε να δείξουμε πειραματικά είναι, τι συμβαίνει, σωστά; Όπως πάνε τα πράγματα.

Όταν ξεκίνησα το εργαστήριο, ένας μεταδιδάκτορας ήρθε στο εργαστήριό μου, ο Alex Vaccaro, ο οποίος ήταν απλώς ιδανικός για αυτό. Και μιλήσαμε για το πώς να προσεγγίσουμε αυτό το ερώτημα. Και αποφασίσαμε να ακολουθήσουμε μια νέα προσέγγιση όπου θα ήμασταν αγνωστικιστές σχετικά με τον λόγο για τον οποίο τα ζώα θα πέθαιναν χωρίς ύπνο. Το να προσπαθείς ακριβώς να μείνεις μακριά από αυτή τη σκέψη του ύπνου είναι, για, από τον εγκέφαλο. Σκεφτήκαμε λοιπόν, εντάξει, ας δούμε, αν στερούμε πραγματικά τον ύπνο από τις μύγες και προσπαθούμε να το κάνουμε με διαφορετικούς τρόπους. Έτσι, να έχετε διαφορετικές μεθοδολογίες, μη επικαλυπτόμενες μεθοδολογίες και στη συνέχεια να προσπαθήσετε να εξετάσετε τη διάρκεια ζωής τους και να δείτε εάν υπάρχει συγκεκριμένος χρόνος που θα πεθάνουν. Και μετά, μπορούμε να βρούμε τι συμβαίνει πριν από αυτό;

(09:04) Περπατήσαμε σε αυτό με λίγη πίστη, αλλά είχα πολύ λίγη ελπίδα, ειλικρινά, ότι θα βρίσκαμε κάτι σαν αυτό που τελικά βρήκαμε, γιατί απλά φαινόταν έτσι — είχα μια αίσθηση, ξέρετε, Όλα τα είδη των πραγμάτων θα μπορούσαν να καταρρέουν, σε όλο το σώμα, σωστά; Ακόμα κι αν δεν είναι ο εγκέφαλος, μπορεί να συμβαίνουν πολλά, πολλά διαφορετικά πράγματα στο σώμα και μπορεί να είναι πραγματικά δύσκολο να εντοπιστεί η ακριβής αιτία θανάτου.

Το πρώτο πράγμα που με εξέπληξε πραγματικά ήταν ότι όταν στερείς τον ύπνο από τα ζώα, συντρίβονται, πεθαίνουν πρόωρα. Αυτό είναι στις μύγες, και ήταν πολύ αναπαραγώγιμο όταν πέθαιναν. Οπότε εξαρτιόταν πραγματικά από το πόσο ύπνο έχασαν. Έτσι, όσο περισσότερο ύπνο χάνετε, τόσο πιο γρήγορα θα πεθάνετε. Αλλά αν έχετε διαφορετικές μεθοδολογίες, που όλες προκαλούν την ίδια απώλεια ύπνου, καταλήξατε να πεθάνετε με την ίδια κινητική. Οπότε αυτό με εξέπληξε πραγματικά. Αυτό συμβαίνει σε μια συγκεκριμένη στιγμή.

Ο λόγος για τον οποίο αυτό ήταν σημαντικό είναι επειδή μας πρότεινε ότι μπορεί να υπάρχουν πραγματικά κάποια συγκεκριμένα γεγονότα, κάτι που θα μπορούσαμε να σκάψουμε κάπου στο σώμα. Αυτό ήταν το πρώτο πράγμα που ήμασταν, εντάξει, αν μπορέσουμε να βρούμε μια πραγματική συσχέτιση μεταξύ επιβίωσης και απώλειας ύπνου, τότε ίσως μπορέσουμε να βρούμε τι συμβαίνει.

Strogatz (10:17):Μπορώ να σας ζητήσω να κάνετε παύση ακριβώς εκεί; Επειδή χρησιμοποιείτε τη λέξη κινητική και έχω μια εικασία τι εννοείτε, πείτε μου αν αυτή είναι η σωστή εικόνα. Για παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι είχα 100 μύγες, και μετά αρχίζω να τους στερώ τον ύπνο, ότι ίσως ένα συγκεκριμένο ποσό επιβίωσε μια μέρα, και μετά ένα συγκεκριμένο ποσό επιβίωσε στη δεύτερη μέρα, και ούτω καθεξής. Και δημιουργείτε ένα τέτοιο γράφημα.

Rogulja (10:35):Ακριβώς. Σωστά. Και μετά, αυτό που συμβαίνει είναι ότι στην αρχή φαίνονται όλοι - όλοι είναι 100% ζωντανοί. Και μετά οι έλεγχοι συνεχίζουν να ζουν. Και κάποια στιγμή αρκετά νωρίς, ανάλογα με το πόσο ύπνο θα χάσεις. Όσο περισσότερο ύπνο χάνετε, τόσο πιο γρήγορα καταρρέετε, αυτές οι καμπύλες επιβίωσης αρχίζουν να πέφτουν. Έτσι είναι σαν να είναι ζωντανά το 80% των ζώων που στερούνται ύπνου, το 60%. Και έτσι, αν αφαιρέσουμε όλο τον ύπνο, η διάρκεια ζωής μπορεί να πιαστεί, ξέρετε, ζείτε το ένα τέταρτο, η διάρκεια ζωής σας είναι το ένα τέταρτο του ελέγχου, ξέρετε, οπότε είναι πραγματικά, ναι, είναι πολύ ισχυρό αποτέλεσμα.

Strogatz (11:11):Αυτό είναι βάναυσο. Έτσι, όταν κάνετε ένα γράφημα αυτού του πράγματος που ονομάζετε καμπύλη επιβίωσης, τον αριθμό που επιβιώνει ως συνάρτηση του χρόνου που τους στερήσατε ύπνο, πώς μοιάζει η καμπύλη;

Rogulja (11:22):Ναι, αυτή είναι μια εξαιρετική ερώτηση. Και κάτι που ήταν πραγματικά κρίσιμο σε όλο αυτό το ταξίδι. Φαίνεται λοιπόν ότι υπάρχει ένα ορισμένο σημείο, και αυτό το σημείο εξαρτάται, φαινομενικά, αποκλειστικά από το πόσο ύπνο χάνετε, όπου ξαφνικά, αυτά τα ζώα που στερούνται ύπνου αρχίζουν να πεθαίνουν μαζικά. Έτσι, υπό αυτήν την προϋπόθεση που εξετάσαμε αρχικά, για παράδειγμα, όπου οι έλεγχοι ζουν έως και 40 ημέρες, περίπου την ημέρα 10, είναι περίπου 90% απώλεια ύπνου. Έτσι, γύρω στη 10η μέρα, αρχίζουν να συντρίβονται, και την 20η ημέρα, είναι όλοι νεκροί. Έτσι, το τελευταίο από τα επιζώντα αυτών των ζώων που στερούνται ύπνου είναι νεκρό την 20ή ημέρα. Και μετά οι έλεγχοι ζουν μέχρι τις 40 ημέρες. Και έτσι, την ημέρα 10 είναι εκείνο το σημείο καμπής όπου αρχίζουν να συντρίβονται, και αυτό μας έδωσε πραγματικά ένα παράθυρο, πότε να αναζητήσουμε άσχημα πράγματα που συνέβαιναν στο σώμα. Ναι, αυτό ήταν ένα πραγματικά κρίσιμο σημείο.

Strogatz (12:16):Και έτσι αρχίσατε να κοιτάτε διαφορετικά όργανα;

Rogulja (12:18):Ναι, ήταν πραγματικά πολύ απλό. Θέλω να πω, η ιδέα ήταν πολύ, πολύ απλή. Αυτό που ξεκινήσαμε από τον Alex, τον μεταδιδακτορικό, που ξεκίνησε αυτό το έργο, και μετά τον Yosef Kaplan Dor, που έγινε μαζί της, ένας άλλος μεταδιδακτορικός. Η ιδέα ήταν, τώρα, να πάρουμε όλα τα όργανα που θα μπορούσαμε να βγάλουμε από τη μύγα, απλώς να ανατέμνουμε ολόκληρο το ζώο, να κάνουμε παθολογία πάνω του, ας πούμε έτσι, και να δούμε οτιδήποτε μπορούμε να σκεφτούμε, ποιοι είναι μερικοί δείκτες του κακού συμβαίνουν πράγματα; Δείκτες κυτταρικού θανάτου, δείκτες DNA που έχουν υποστεί βλάβη. Και έτσι απλά κοιτάξαμε τα πάντα παντού. Εντάξει, σε όλο το σώμα. Και αυτό ήταν πραγματικά το κρίσιμο είναι ότι δεν περιοριστήκαμε στον εγκέφαλο, απλώς σκεφτήκαμε, εντάξει, άσχημα πράγματα θα μπορούσαν να συμβούν οπουδήποτε, ας πάρουμε όλα τα όργανα.

Και μετά όταν το κάναμε αυτό, ήταν πραγματικά πολύ, πολύ γρήγορο που φτάσαμε σε αυτήν την εκπληκτική απάντηση, που ήταν τα άσχημα πράγματα που συνέβαιναν στο έντερο, συγκεκριμένα.

Strogatz (13:12):Το έντερο. Αυτό δεν είναι προφανές. Δηλαδή, σωστά; Η απώλεια ύπνου με κάποιο τρόπο αναστατώνει κάτι στο έντερο της μύγας. Λοιπόν, αυτό είναι πραγματικά, πολύ ενδιαφέρον.

Rogulja (13:23):Ναι, ήταν συγκλονιστικό. Ξέρεις, είναι ένα από εκείνα τα πράγματα που, τώρα, το έχω συνηθίσει. Έχουν περάσει μερικά χρόνια. Και είναι ακριβώς όπως, ναι, φυσικά, είναι αυτό, ξέρετε; Αλλά όταν πήραμε για πρώτη φορά αυτά τα αποτελέσματα, ναι, ήταν πραγματικά περίεργο, ξέρετε;

Έτσι, αυτό που έκανε η Alex ήταν, ένα από τα πράγματα που εξέτασε ήταν τα επίπεδα των ενεργών ειδών οξυγόνου. Μπορούμε να μιλήσουμε για αυτό λίγο, αυτά είναι μοριακά παράγωγα οξυγόνου που είναι εξαιρετικά χημικά ενεργά, είναι πολύ ασταθή. Και είδε ότι ακριβώς τη στιγμή που αυτά τα ζώα αρχίζουν να πεθαίνουν μαζικά, ζώα που στερούνται ύπνου, οπότε υπάρχει μια τεράστια, τεράστια, τεράστια αύξηση στα αντιδραστικά είδη οξυγόνου, ειδικά στο έντερο. Αυτό ήταν αμέσως πριν από αυτό.

Strogatz (14:04):Έχω ακούσει ανθρώπους να μιλούν για τις ελεύθερες ρίζες. Είναι κάτι διαφορετικό;

Rogulja (14:07):Λοιπόν, αντιδρώντα είδη οξυγόνου, όπως λέει το όνομα, προέρχονται από το οξυγόνο, πολύ αντιδραστικά. Οι ελεύθερες ρίζες είναι οι πιο αντιδραστικές μορφές αυτών των δραστικών ειδών οξυγόνου, εντάξει. Είναι πολύ, πολύ επιβλαβείς, αλλά οι ελεύθερες ρίζες μπορούν να προέρχονται, επίσης, όχι από οξυγόνο, ξέρετε, από κάποιο άλλο πράγμα. Αλλά το κρίσιμο πράγμα εκεί είναι ότι έχετε ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο στο εξωτερικό τροχιακό τους, στο τροχιακό του σθένους. Αυτό είναι λοιπόν το τροχιακό που εμπλέκεται σε χημικές αντιδράσεις. Και χρειάζεστε ηλεκτρόνια για σύζευξη για σταθερότητα. Αυτά τα μόρια λοιπόν είναι κάπως ταλαντευόμενα. Και επιτίθενται στα κυτταρικά μόρια. Κλέβουν ηλεκτρόνια, ας πούμε, από το DNA από την πρωτεΐνη από, από τα λίπη, τα οξειδώνουν. Έτσι, αυτό μοιάζει πολύ με τη σκουριά, σωστά; Ή, όπως, όταν κόβετε ένα μήλο, το εκθέτετε στον αέρα, οξειδώνεται. Αυτά είναι τα καφέ πράγματα, εντάξει; Έτσι, μετατρέπετε αυτά τα κυτταρικά μόρια επίσης σε επικίνδυνα μόρια, ελεύθερες ρίζες, οι οποίες στη συνέχεια επιτίθενται σε άλλα πράγματα.

Strogatz (15:03):Ωχ αγόρι.

Rogulja (15:04):Ναι, ήταν τρελό, και έτσι, αυτό που συμβαίνει, αυτό που είδαμε είναι ότι συσσωρεύονται αυτά τα αντιδραστικά είδη οξυγόνου και μετά παρακολουθείτε την οξείδωση του εντέρου ή αυτό που ονομάζεται οξειδωτικό στρες. Και αυτό είναι το πράγμα στο οποίο αναφέρομαι, το γεγονός ότι κλέβεις ηλεκτρόνια από κυτταρικά μόρια, και τα καταστρέφεις, και έτσι - τελικά, βλέπεις κύτταρα να πεθαίνουν, να πεθαίνουν μαζικά στο έντερο. Και όλα αυτά συμβαίνουν και μετά πεθαίνουν.

Strogatz (15:29):Απλώς για να βεβαιωθώ, αφού έχει περάσει καιρός από τότε που έκανα χημεία ή βιοχημεία, ίσως κάποιοι από τους ακροατές μας το ίδιο πράγμα. Το βασικό σημείο είναι, εάν εσείς, μια μύγα, μένετε χωρίς ύπνο ή αναγκαστείτε να μείνετε χωρίς ύπνο για πάρα πολύ καιρό, πρόκειται να δημιουργήσετε πολύ ασυνήθιστα υψηλά επίπεδα αυτών των αντιδραστικών ειδών οξυγόνου στο έντερό σας. Τα βλέπω συντομογραφημένα ως ROS? το προφέρετε ως "ross";

Rogulja (15:49):«Ross», ή αντιδραστικά είδη οξυγόνου. ROS, ναι.

Strogatz (15:52):Επομένως, αυτά τα αντιδραστικά είδη οξυγόνου είναι σαν μια εσωτερική σκουριά ή κάποιο είδος δηλητηρίου. Αυτό είναι το θέμα, σωστά;

Rogulja (15:58):Ναι, αυτό ακριβώς είναι το θέμα. Το σκέφτομαι, όπως η σκουριά, ξέρετε, η σκουριά ενός σωλήνα, η έκθεση του μήλου στον αέρα, γίνεται καφέ, αυτό είναι οξείδωση. Η οξείδωση είναι ουσιαστικά, οξειδώνεις άλλα μόρια σημαίνει ότι κλέβεις ηλεκτρόνια από αυτά. Εντάξει.

Λοιπόν, αυτό συμβαίνει. Αυτό είναι το οξειδωτικό στρες. Και αυτό που είναι πραγματικά επικίνδυνο είναι ότι μπορεί να διαδοθεί, επειδή ένα μόριο επιτίθεται σε ένα άλλο, το κάνει κακό και ότι το ένα επιτίθεται σε άλλο. Και αυτό λοιπόν είδαμε. Και το είδαμε στις μύγες, και το είδαμε με κάθε μέθοδο απώλειας ύπνου που μπορούσαμε να σκεφτούμε. Και μετά ελέγξαμε ποντίκια, και βλέπετε το ίδιο πράγμα. Αλλά το πιο ενδιαφέρον ήρθε όταν προσπαθήσαμε να δείξουμε αιτιότητα μεταξύ αυτού και του θανάτου που ακολουθεί. Επειδή κάτι προηγείται του θανάτου, δεν σημαίνει ότι είναι αιτιολογικό, σωστά; Θα μπορούσε να είναι συσχέτιση.

Και έτσι αυτό που έκαναν ο Alex και ο Yossi, και άλλα που, άλλοι στην ομάδα, ήταν να προσπαθήσουν να εξουδετερώσουν αυτά τα μόρια. Έτσι, για να απαλλαγούμε από τα αντιδραστικά είδη οξυγόνου στο έντερο, και στη συνέχεια να δούμε αν αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει την επιβίωση, την κανονική ζωή χωρίς ύπνο. Και δοκιμάσαμε αυτή τη σκέψη, εντάξει, είναι λογικό να κάνουμε. Αλλά είχα κάποιο είδος πίστης ότι αυτό θα λειτουργούσε; Θα έλεγα όχι, εννοώ, φαινόταν πραγματικά σαν φαντασία, ξέρετε.

(17:17) Ήταν συγκλονιστικό, ήταν απολύτως σοκαριστικό. Μαζευόμασταν όλοι και κοιτάζαμε αυτές τις μύγες κάθε μέρα. Θέλω να πω, απλώς τρέφονταν με ορισμένα αντιοξειδωτικά, θα μπορούσατε να εξουδετερώσετε τα αντιδραστικά είδη οξυγόνου τους και θα μπορούσαν να επιβιώσουν. Αλλά όταν το κάναμε αυτό τρώγοντας αντιοξειδωτικά, σκεφτόμασταν, εντάξει, εσύ — ξέρεις, όταν τρως κάτι δεν ξέρεις πού θα μπορούσε να πάει και να δράσει οπουδήποτε στο σώμα, σωστά, μόνο και μόνο επειδή δεν βλέπουμε ROS σε άλλα μέρη, δεν σημαίνει ότι δεν είναι εκεί. Έτσι, αυτό που θέλαμε να κάνουμε ήταν, βασικά, μέσω γενετικών χειρισμών, να το κάνουμε μόνο στο έντερο.

Μπορείτε λοιπόν να φανταστείτε, αν εκφράζετε ένα αντιοξειδωτικό και αν βάλετε ένα αντιοξειδωτικό ένζυμο — έχουμε αυτά τα κόλπα, σωστά; Έτσι, το αντιοξειδωτικό είναι κάτι που εξουδετερώνει τα οξειδωτικά, όπως το ROS, το βάζετε μόνο στο έντερο. Και μετά ρωτάς, μπορεί αυτή η διάσωση να επιβιώσει; Και αυτό συμβαίνει, εφόσον απαλλαγούμε από αυτά τα πράγματα στο έντερο, τα ζώα μπορούν να επιβιώσουν.

Strogatz (18:15):Είναι τόσο, είναι τόσο λαμπρό. Θέλω να πω, αυτά τα πειράματα είναι τόσο έξυπνα και κάπως τόσο απλά που πρέπει να κάνουν όλους τους συναδέλφους σου να αισθάνονται ότι, αχ, γιατί δεν το έκανα αυτό; Αυτό το πεδίο ήταν — ξέρετε, σωστά; Αλλά φυσικά, έχετε τη δύναμη της γενετικής μηχανικής τώρα, αυτό είναι πραγματικά χρήσιμο.

Rogulja (18:30):Ναι. Δεν ξέρω αν νιώθουν έτσι. Αλλά θα το πω αυτό, ναι, ήταν πολύ απλό. Αυτό είναι το θέμα, όμως, θα σας πω. Ποτέ δεν συμμετείχα σε κάτι που πήγε πιο ομαλά. Όπως, δεν έχω δουλέψει ποτέ σε μια πιο σκληρή ερώτηση, νομίζω, και ποτέ δεν συμμετείχα σε κάτι που πήγε πιο ομαλά.

Strogatz (18:46):Επιτρέψτε μου λοιπόν να το πάρω. Είναι κάπως σαν να λέμε, και πάλι, είναι υπεραπλουστευτικό, αλλά είναι σαν να έκανα αφαίρεση σκουριάς - όχι αφαίρεση σκουριάς - αλλά αυτά τα αντιοξειδωτικά. Μόνο στο έντερο, αυτό είναι αρκετό για να σώσει τις μύγες που διαφορετικά θα ήταν νεκρές.

Rogulja (18:58):Αυτό είναι απολύτως σωστό. Αυτό ακριβώς συνέβη. Και μια άλλη ερώτηση που θέλαμε να καταλάβουμε στο εργαστήριο είναι πώς ακριβώς κάνετε αυτήν την αισθητηριακή αποσύνδεση; Όπως πώς μπαίνετε σε αυτήν την κατάσταση αισθητηριακής αποσύνδεσης; Γιατί δεν επεξεργάζεστε πληροφορίες με τον ίδιο τρόπο όταν κοιμάστε όπως όταν είστε ξύπνιοι;

Και έτσι η Ίρις Τίτος, μια άλλη μεταδιδακτορική στο εργαστήριο, έκανε αυτήν την οθόνη, και η οθόνη είναι κάτι όπου απλά προσπαθείς να απαλλαγείς από ένα σωρό γονίδια, όπως, ένα προς ένα, σωστά; Οπότε, αναζητούμε χειρισμούς όπου θα ήταν - θα έκανε τα ζώα εξαιρετικά ανταποκρινόμενα, τώρα, κατά τη διάρκεια του ύπνου, ή εξαιρετικά αδιάφορα, ξέρετε, κάποιον που μπορεί να κοιμηθεί μετά από σεισμό. Και αυτό που βρήκε είναι ένα σήμα που προέρχεται από το έντερο. Και έτσι αυτή ήταν μια εντελώς ξεχωριστή μελέτη που μας οδήγησε επίσης στο έντερο. Βρήκε αυτό το μόριο που εκκρίνεται από το έντερο, ως απόκριση σε δίαιτα με υψηλή περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες, και που δίνει σήμα στον εγκέφαλο να σας βάλει σε βαθύτερο ύπνο, να σας βάλει σε κατάσταση μεγαλύτερης αισθητηριακής αποσύνδεσης. Αυτό είναι λοιπόν ένα παράδειγμα όπου το έντερο υπαγορεύει πραγματικά την ποιότητα του ύπνου.

Strogatz (20:05):Αυτό είναι άγριο. Αυτό, σας θυμίζει τους ανθρώπους που λένε, μετά από ένα δείπνο με γαλοπούλα την Ημέρα των Ευχαριστιών, θα έχετε πάρα πολύ τρυπτοφάνη και θα θέλετε να πάτε για ύπνο.

Rogulja (20:13):Στην περίπτωσή μας, δείξαμε ότι δεν είναι τρυπτοφάνη. Τουλάχιστον, ξέρετε, αυτό το μόριο δεν δημιουργείται ως απόκριση σε συγκεκριμένα αμινοξέα, αλλά απλώς ανιχνεύει πόσο πρωτεϊνούχα είναι τα τρόφιμα. Και έτσι για μένα, όπως το ερμηνεύω, ξέρετε, έλεγα αυτό το πράγμα, που όλοι λέμε, δουλεύοντας στον ύπνο, είναι σαν, «Είναι επικίνδυνο. Γιατί να είσαι σε αυτή την κατάσταση, δεν μπορείς να κάνεις τίποτα;» Αλλά πραγματικά πιστεύω ότι είσαι καλύτερα αν είχες ένα καλό γεύμα, καλύτερα να κρυφτείς κάπου, να μην κινείσαι και να κοιμηθείς, σωστά; Έτσι, μπορείτε ουσιαστικά να αντέξετε οικονομικά να αποσυνδεθείτε και να κοιμηθείτε βαθιά. Και δεν χρειάζεται να τρέχετε στο γήπεδο και να ψάχνετε για τροφή και να εκτεθείτε σε κίνδυνο.

Strogatz (20:52):Ε, πολύ ενδιαφέρον. Έτσι, ο ύπνος είναι πραγματικά συνδεδεμένος με την πέψη, ή κάτι τέτοιο.

Rogulja (20:58):Ναι, νομίζω ότι ναι. Νομίζω ναι.

Strogatz (21:00):Λοιπόν, αυτό θα εξηγούσε γιατί κάθε ζώο πάνω-κάτω στο δέντρο της ζωής, ό,τι κι αν είναι, θα χρειαστεί να το κάνει αυτό, όλοι πρέπει να τρώμε. Όλοι γνωρίζουν ότι το φαγητό είναι σημαντικό. Ο μεταβολισμός είναι σημαντικός.

Rogulja (21:11):Λοιπόν, υπάρχει και κάτι άλλο, ξέρετε, όπως το έντερο είναι ένα από τα πρώτα όργανα που εμφανίστηκαν στην εξέλιξη των ζώων. Και συνήθιζα να το σκεφτόμουν ως — πριν από αυτή τη μελέτη, δεν θα με γοήτευε το έντερο γιατί απλά σκέφτεσαι, ω, τρως για να επιβιώσεις. Σκεφτείτε, όμως, ότι όλα από τα οποία είστε φτιαγμένοι ουσιαστικά, πρέπει να περάσουν από το έντερό σας. Πρέπει να το φας, να εξαγάγεις μερικά μόρια, να το μετατρέψεις στον εαυτό σου.

Αυτό είναι σαν ένα μέρος κοντά στη μέση του σώματός σας όπου συμβαίνουν άγρια ​​πράγματα. Πρέπει να διασπάσεις ιστούς άλλων ζώων, φυτών, διαφορετικών πραγμάτων χωρίς να βλάψεις τον εαυτό σου. Δεν είναι τίποτα άλλο που μπορείτε να σκεφτείτε ότι το σώμα σας είναι εκτεθειμένο σε οτιδήποτε πλησιάζει αυτό στο οποίο εκτίθεται το έντερο σας.

Strogatz (21:52):Αυτό είναι ένα συναρπαστικό σημείωμα για να τελειώσετε. Σας ευχαριστώ πολύ για αυτήν την πραγματικά διαφωτιστική και απολαυστική συνομιλία, Dragana.

Rogulja (21:59):Ευχαριστώ, Steve.

Εκφωνητής (22:05):The Joy of Why είναι ένα podcast από το Quanta Magazine , μια εκδοτικά ανεξάρτητη έκδοση που υποστηρίζεται από το Ίδρυμα Simons. Οι αποφάσεις χρηματοδότησης από το Ίδρυμα Simons δεν επηρεάζουν την επιλογή των θεμάτων, των προσκεκλημένων ή άλλων συντακτικών αποφάσεων σε αυτό το podcast ή στο Quanta .

Strogatz (22:26):Ο επόμενος καλεσμένος μου είναι ο Alex Keene. Είναι νευρογενετιστής που μελετά τον ύπνο. Είναι επίσης επικεφαλής του τμήματος βιολογίας στο Πανεπιστήμιο A&M του Τέξας. Ο Alex έχει μελετήσει τη μοριακή βάση για τον ύπνο και το σχηματισμό μνήμης στις μύγες των φρούτων. Και εξέτασε τα ψάρια των σπηλαίων του Μεξικού για να κατανοήσει καλύτερα τους νευρικούς μηχανισμούς του ύπνου και πώς έχουν εξελιχθεί. Alex, σε ευχαριστούμε πολύ για την παρουσία σου σήμερα.

Alex Keene (22:51):Ευχαριστώ πολύ που με έχετε.

Strogatz (22:52):Αυτό είναι υπέροχο. Πεθαίνω να ακούσω για τα ψάρια των σπηλαίων. Αλλά ίσως πρώτα, θα πρέπει να ξεκινήσουμε με ένα είδος ευρύτερης ερώτησης σχετικά με τον ρόλο των μοντέλων γενετικών οργανισμών στη μελέτη του ύπνου. Τι είναι αυτό;

Keene (23:05):Υπάρχει, νομίζω, μια επανάσταση που συνέβη πριν από περίπου 25 χρόνια. Πριν από αυτό ο ύπνος μελετήθηκε σε μεγάλο βαθμό σε συστήματα θηλαστικών. Αλλά οι κιρκάδιοι ρυθμοί, τα μοτίβα των 24 ωρών ήταν γνωστό ότι διατηρούνταν ευρέως. Και πολλή δουλειά έγινε σε πολύ απλά μοντέλα. Και έτσι αυτή η κοινότητα που μελέτησε πραγματικά τους κιρκάδιους ρυθμούς, με επικεφαλής τον Paul Shaw στο Ινστιτούτο Νευροεπιστημών και τους Ahmita Sehgal και Allan Pack στο Penn, είχε την ιδέα να φέρει αυτά τα πειράματα σε μύγες φρούτων, που ήταν αυτό το απλό μοντέλο με ισχυρά γενετικά εργαλεία, όπου θα μπορούσε να κάνει ανακάλυψη γονιδίων. Και από τότε, έχει απογειωθεί σε πολλά άλλα συστήματα, zebrafish, C. elegans, αυτά τα απλά σκουλήκια, και τα έχουν χρησιμοποιήσει για να ανακαλύψουν ορισμένα θεμελιώδη χαρακτηριστικά του ύπνου που τώρα γνωρίζουμε ότι διατηρούνται πολύ στον ανθρώπινο ύπνο.

Strogatz (23:51):Νομίζω ότι επιστρέφοντας στη δεκαετία του 1970, οι άνθρωποι προσπαθούσαν να αναζητήσουν τη γενετική βάση των κιρκάδιων ρολογιών στις μύγες. Και λέτε, επειδή αυτό είναι ένα παρακείμενο πεδίο για ύπνο, είναι κάπως η ίδια στρατηγική εκτός από το, τι, τώρα ψάχνουμε για γονίδια που μπορεί να ρυθμίζουν τον ύπνο ή να στηρίζουν τον ύπνο με κάποιο τρόπο;

Keene (24:09):Ναι, έτσι οι κιρκάδιοι ρυθμοί είναι κάπως καθαρό, απλό πράγμα για μελέτη, γιατί ξέρετε ότι σχεδόν κάθε ζώο στη γη έχει αυτό το 24ωρο ρολόι στο κεφάλι του. Ενώ ο ύπνος θεωρήθηκε, νομίζω, πολύ πιο περίπλοκος και πιο δύσκολος να οριστεί. Αλλά αυτό στο οποίο ο τομέας είχε γίνει πολύ καλός ήταν η καταγραφή της συμπεριφοράς των ζώων. Και όταν αυτές οι ομάδες άρχισαν να εξετάζουν πολύ προσεκτικά τον ύπνο της μύγας, μπόρεσαν να βρουν όλα αυτά τα χαρακτηριστικά συμπεριφοράς που χρησιμοποιούμε για να προσδιορίσουμε τον ύπνο στα συστήματα των θηλαστικών, όπως ένα αυξημένο κατώφλι διέγερσης ή μια συγκεκριμένη στάση του είδους που τα ζώα παίρνουν στον ύπνο τους. λάμβαναν χώρα και στις μύγες. Και τότε θα μπορούσαν να μεταφέρουν πολλές από αυτές τις προσεγγίσεις που είχαν χρησιμοποιηθεί για να βρουν τα γονίδια και τους νευρώνες που εμπλέκονται στους κιρκάδιους ρυθμούς στον ύπνο. Και αυτό, νομίζω, ξεκίνησε πραγματικά το πεδίο και από τότε έχει εκτοξευθεί.

Strogatz (25:00):Απλά, κάπως, πλήρης αποκάλυψη, το διδακτορικό μου. αφορούσε τον ύπνο. Αν και είμαι μαθηματικός, δούλεψα στα μαθηματικά των ανθρώπινων κιρκάδιων ρυθμών και των κύκλων ύπνου. Ήταν όμως πριν από περίπου 35 χρόνια. Και έτσι είμαι λίγο Rip Van Winkle εδώ. Δεν ασχολούμαι πια με αυτό. Έτσι είναι σχεδόν σαν να με ξυπνάτε από έναν μεγάλο ύπνο και να μου λέτε πώς έχει προχωρήσει το γήπεδο. Εάν ένα άτομο πιστεύει πραγματικά στην εξέλιξη, ξέρετε, και ότι η ζωή έχει εξελιχθεί εδώ στη Γη, πιθανώς, από έναν τελευταίο παγκόσμιο κοινό πρόγονο, όλοι μας γύρω σήμερα. Από εξελικτική προοπτική, μπορείτε να περιμένετε, φυσικά, πολλοί οργανισμοί έχουν κάτι σαν ύπνο.

Keene (25:37):Ναι. Και νομίζω, εννοώ, ο ύπνος μπορεί να είναι μοναδικός όσον αφορά το γιατί οι άνθρωποι το σκέφτηκαν αυτό, και επειδή ο ύπνος θεωρούνταν πάντα ως μια αναδυόμενη ιδιότητα πολλών διαφορετικών νευρώνων, σωστά, και χρειαζόσουν ένα περίπλοκο σύνολο νευρώνων για να δημιουργήσεις ύπνο, Έτσι, ξέρετε, ο εγκέφαλος των θηλαστικών έχει εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια νευρώνες. Και έτσι δεν είναι κάτι που κάποιος πίστευε ποτέ ότι θα μπορούσατε να εντοπίσετε σε ένα μεμονωμένο κελί. Αλλά τώρα, εννοώ, νομίζω ότι με τη διαπίστωση ότι, ξέρετε, ένα ζώο με 300 νευρώνες μπορεί να κοιμηθεί είναι ευρέως αποδεκτό, νομίζω ότι πρέπει να ξανασκεφτούμε τι είναι ο ύπνος. Ποιος είναι ο ελάχιστος αριθμός νευρώνων που χρειάζεστε για να εισέλθετε σε κατάσταση ύπνου είναι ένα μεγάλο ερώτημα.

Strogatz (26:18):Α, αυτό θα σε ρωτούσα. Είναι C. elegans όσο πιο κάτω έχουμε πάει;

Keene (26:22):Ναι, εννοώ, νομίζω C. elegans έχουν ένα πολύ πρωτόγονο νευρικό σύστημα. Υπάρχουν επίσης Ύδρα και μέδουσες που έχουν εντοπιστεί ή χαρακτηριστεί για ύπνο. Το πραγματικά αξιοσημείωτο για τη δουλειά στο C. elegans και η Ύδρα είναι, δεν είναι μόνο ότι έχουν αυτά τα συμπεριφορικά χαρακτηριστικά του ύπνου, αλλά πολλοί από τους μοριακούς μηχανισμούς που εμπλέκονται στον ύπνο φαίνεται να διατηρούνται. Έτσι, εμπλέκονται τα ίδια γονίδια, από αυτό το μικρό μικροσκοπικό σκουλήκι μέχρι τους ανθρώπους. Για παράδειγμα, εάν χορηγήσετε μελατονίνη Hydra, μπαίνουν σε κατάσταση ύπνου.

Strogatz (26:53):Χμ. Λοιπόν, ίσως θα έπρεπε τώρα να αλλάξουμε ταχύτητα για να πάμε βαθιά σε σπηλιές στο Μεξικό. Έχετε κάνει πολλή δουλειά, εσείς και η ομάδα σας, σε μεξικάνικα ψάρια σπηλαίων. Πείτε μας λίγα λόγια για αυτούς και γιατί είναι τόσο ενδιαφέρον να μελετήσετε σε σχέση με τον ύπνο.

Keene (27:08):Αυτό είναι ένα πραγματικά αξιοσημείωτο, νομίζω, βιολογικό σύστημα. Αν πάτε στο βορειοανατολικό Μεξικό, υπάρχουν αυτά τα επιφανειακά ψάρια που ζουν σε ποτάμια και μοιάζουν με κανονικά ψάρια. Έχουν μάτια, είναι χρωματισμένα. Και μετά, υπάρχουν 30 διαφορετικές σπηλιές τριγύρω — βασικά μέσα σε μια κομητεία η μία από την άλλη, περιοχή 50 χιλιομέτρων, και έχουν ψάρια σπηλαίων που έχουν παγιδευτεί εκεί. Και έτσι, εξακολουθούν να είναι το ίδιο είδος, μπορούν ακόμα να διασταυρωθούν αν τα βγάλουμε και τα βάλουμε στο εργαστήριο. Αλλά αυτά τα ψάρια σπηλαίων φαίνονται εντελώς διαφορετικά. Και το πραγματικά ωραίο είναι ότι έχουν χάσει τα μάτια τους και έχουν χάσει τη μελάγχρωση τους, αλλά συνέβη ανεξάρτητα σε κάθε σπηλιά. Και έτσι οι επιστήμονες έχουν μελετήσει αυτά τα ψάρια για σχεδόν 100 χρόνια για να καταλάβουν πώς η εξέλιξη συμβαίνει επανειλημμένα.

Αυτό που συνέβη πρόσφατα είναι ότι έχουμε αρχίσει να εκτιμούμε τις διαφορές στη συμπεριφορά και τη φυσιολογία τους. So for example, when I was a postdoc at NYU, we looked at sleep differences in these cave fish. And the impetus for that is there’s lots of speculation that the reason there’s variable sleep throughout the animal kingdom is because the animals have different foraging needs. So for example, if you’re a large mammal like an elephant, you need to eat most of the day. And for that reason, elephants only sleep a few hours a night. And so we knew that food was poor in the caves. And so we tested sleep. And we found that these cave fish had repeatedly evolved to sleep much less. And that was kind of the start of using this organism as a genetic model to look at sleep.

Strogatz (28:31):This idea of being trapped in a cave, I want to understand that a little better. It’s something like what, hundreds of thousands of years ago, there was some kind of geological phenomenon? What, flooding or something that caused them to get trapped?

Keene (28:44):Yeah, so we think that these fish got trapped a few hundred thousand years ago, in all these different caves. The idea is the fish got stuck in there. And then over time, you know, what was needed to survive in a cave is very different than what was needed to survive in a river. And one of the things that we were particularly interested in is sleep. And it looks like what we know now, they sleep less, and our hypothesis is that’s because there’s limited food and if there’s limited food, when you’re asleep, that’s time away from foraging.

Strogatz (29:12):So what, more broadly, are these cavefish telling us about sleep?

Keene (29:16):One of the fundamental questions I think we are trying to address is, do they need less sleep? Or are they chronically sleep depriving themselves? Because one idea you could think of is that they’ve become more efficient sleepers. And it’d be fascinating to know what a brain is like that sleeps so efficiently that it only needs a few hours’ sleep.

More importantly, we can look at the differences in sleep between each population of cave fish. And understand how genetic variation leads to sleep differences. And that’s really important because sleep in humans is incredibly variable. Some people need five hours of sleep. Other people need eight hours of sleep. You can have two people who are insomniacs, but for completely different biological reasons. And that’s really important because the way you might treat that insomnia is different based on the underlying biological problem. If we can go beyond looking at sleep in a few model systems that have been highly inbred in the laboratory, in leveraging the power of this variation that’s out there, that evolution’s created, it’ll tell us a lot more about the variation between individual people, and I think that’s ultimately necessary to treat sleep better, and to understand how it’s working.

Strogatz (30:29):Let’s see if I get this, then, about the independent evolution. I mean, that aspect is very interesting, that you say there’s these 30 caves, they don’t have, to first approximation, maybe almost no interaction with each other. So that when you speak of the fish evolving in this cave, starting a few hundred thousand years ago, or the other cave, they’re like separate experiments. They don’t have any particular contact, and yet, they’re all evolving so that they don’t have eyes, they sleep less, they forage more. Is that what you’re saying?

Keene (30:59):Exactly. And what’s so cool about this system is that we can take them into the lab, and we can breed them and study them. So one of my favorite experiments, and this was done in the 70s, is you take two populations of cave fish from different caves, neither of them have eyes. But if you cross them together, the progeny have eyes. Because it’s — it’s different genetic pathways that lead to the eye loss in each one. But then when you cross them together, each of the offspring get one functional copy from each parent, and then their eyes reappear.

Strogatz (31:33):This is like classic textbook stuff out of high school biology. Little a, big A.

Keene (31:38):Yeah, and it’s amazing when, when you can see it in the lab. And we have some evidence that the way that these fish lost sleep is very different. So for example, we can give one drug that will restore sleep in a population of fish, but have no effect in a different population. And so it’s not a giant leap to translate that to people. Why is Ambien more effective in some people, but not in others, right? And there are probably differences that are leading to sleep loss. And if we can understand why this is happening, we have much more targeted sleep medicine, which is probably the ultimate goal.

Strogatz (32:13):Hmm. Is there such a thing as an insomnia gene? I mean, are you trying to identify genes, maybe even single genes, associated with different kinds of insomnia?

Keene (32:23):Yeah, so, it’s funny, there’s a gene called insomnia that was identified in flies, and the mutants have very little sleep. But I think, more importantly, there are lots of genes that impact sleep. And there lots of different neurons that impact sleep. And that’s what makes this such a complicated system to work with. With circadian rhythms, if we want to have a comparison, there’s a clock in your brain. And we know where that central clock is located. It’s located in the hypothalamus. But I think with sleep, there are sleep circuits that are diffusely located all over your brain. And so you can imagine if there are all these different inputs, and you strengthen one and you get sleep and you strengthen another, and you get wakefulness, there are lots of different ways to impact the system. And so I think there are probably hundreds of genes that impact sleep, and hundreds of different sets of neurons, if we look at the human brain, and so figuring that out is going to be really complex.

One of the things we found in cave fish is that the gene hypocretin, also called orexin, which is thought to be a main regulator of sleep in mammalian systems — narcoleptics have reduced hypocretin signaling, for example — and this gene varies by cave and cave fish. And so cave fish with really short sleep have higher levels of this wake-promoting gene. And so what we think is, it’s possible that variability in hypocretin levels between individual people is contributing to our sleep differences.

Strogatz (33:50):Let me underline that last point, I want to make sure I got that. You’re saying there’s a gene that makes — hypocretin or orexin, you said — are those proteins?

Keene (33:59):So it’s called hypocretin and orexin. It’s a neuropeptide, so it’s released from neurons and binds to a receptor. And it was first identified in these really classic studies in dogs from Emmanuel Mignot’s group at Stanford. And they had these narcoleptic dogs, and he was hunting for the gene that caused narcolepsy. And he found a mutation in the receptor for hypocretin. And it caused the dogs, when they would get excited, to essentially fall asleep with cataplexy, so they wouldn’t move, they’d be paralyzed.

And then later it was found that humans with narcolepsy often had a loss of hypocretin neurons in their hypothalamus. Since then, there’s been a lot of focus on this gene. And so, we just found in cave fish that variable levels of this gene track with how much the fish sleeps. And so, it’s possible that this translates to humans as well. And, you know, really good sleepers might have lower levels of hypocretin. And poor sleepers or insomniacs might have higher levels of this gene. But like I said, it’s probably a complex process, but that’s just one idea of how you could take variable levels of a gene and use it to understand human biology.

Strogatz (35:09):It’s just astonishing, the unity of biology here, that there’s this gene that we have, that dogs have, that your cavefish have.

Keene (35:18):I think what’s amazing to me is that this acceptance that sleep has really old evolutionary origins is recent. In the history of the field of sleep studies, 20 years is not a long time, or 25 years, for people to have made this shift. But I think now that there’s this acceptance, I think there’s just going to be so much knowledge that’s gained when we can take these simple organisms, relatively simple organisms, and apply what we learn to more complex brains.

Strogatz (35:46):One fairly recent discovery that got lots of buzz, I think deservedly, was that zebrafish have two patterns of neuronal activities. One that seems kind of like REM sleep, the sleep that we associate with the dreaming state, in people and in mammals. Why was that discovery about these different patterns, roughly like sleep stages, so important in terms of understanding sleep and evolution of sleep?

Keene (36:13):Yeah, I think this is a really remarkable study from Philippe Mourrain’s lab at Stanford. And the reason is, it’s always thought that, or at this point, I think it’s accepted that these simpler non-mammalian models sleep. But structurally, their sleep can’t be like human sleep, that we have sleep made up of stages, light and deep sleep, REM and non-REM. And what Philippe Mourrain’s lab did is they took advantage of the fact that you can use genetic tools to record the activity of the brain in these zebrafish. They’re transparent when they’re really small, and so you put them under a microscope. And he recorded their activity. And he found that the activity pattern in this area, the dorsal pallium, which is the evolutionary precursor to the mammalian neocortex, had these REM- and non-REM-like sleep patterns. He then used further drug treatments to find that the same drugs that would induce REM-like sleep would induce REM-like patterns in zebrafish. That really showed that there’s kind of a direct line. Not only in the behavior of sleeping, but in the structure of the brain’s activity during sleep, from non-mammalian models all the way up to humans.

Strogatz (37:23):So also, you’ve been looking at how sleep evolves in response to challenges from the environment. So what kinds of environmental challenges are you looking at, and what are you finding from that?

Keene (37:35):We’ve been looking at this, I think, in flies and fish, and I think this is one of the more underexplored areas of sleep. We tend to talk about sleep — I mean, we, the scientific community in general — as a unified process, you sleep or you don’t, but sleep changes based on our internal and external state. So, for example, animals ranging from flies, all the way up to humans, will change their sleep when they’re food-deprived, right, because if you’re really hungry, you probably want to go find food instead of taking the time to sleep. Stress impacts sleep, aging impacts sleep. And I think what we’ll find is the genes involved in sleep differ in each one of those conditions.

And one of the ways I think about this a lot, that might be hard to address directly scientifically, given the tools we currently have, is, I think, sleep loss — the impact of it might vary greatly, depending on the context. If you stay up all night and don’t sleep because you’re really stressed out, that might affect the brain very differently than if you stay up all night because you’re having fun watching movies on TV or hanging out. And so, what is the biological basis of that? I think it’s really important to understand that.

Strogatz (38:42):That’s an interesting thought.

Keene (38:43):And there’s evidence for this, for example — so, our lab and others have found that if you starve a fruit fly, and it loses sleep, it doesn’t need to rebound from that. So it doesn’t need to make up that lost sleep. But if you were to sleep deprive it by mechanically shaking it, it would need to make up that reduced sleep. And the way I think most of us interpret that is, it’s evolutionarily built-in to find ways to compensate for sleep, when it’s part of the brain’s wiring. But when it’s not, when it’s something like mechanical shaking, the brain’s unprepared to do that. And so, there’s a consequence, which is you need to sleep more. So, I think that just highlights the need to look at sleep in all these different contexts, not just a comfortable animal that’s sitting there in its home arena.

Strogatz (39:28):What do you feel like we know about how sleep evolved? And what is it that remains to be learned?

Keene (39:33):We know now that genetically sleep is very conserved, and even at the neural level, from the simplest models, all the way up to humans. I think the two big things we don’t know are how variation in genetics leads to sleep differences. And I say this especially in people, but I think we can learn about this through other models.

So for example, there have been huge, they call them GWAS studies, where they look at the DNA of individuals across huge populations, and most people are probably familiar with this through, from companies like 23andMe. These have also been done for sleep, and what they come up with is lots of hits, lots of genes that are associated with sleep. But it’s hard to verify what those do. And if we could understand how that variation between us impacts sleep duration and quality, I think that’s really important. And then I think that from the evolutionary perspective, the really big thing we don’t know is, what is it about different environments that drive sleep differences?

So I can tell you, the elephant sleeps only a few hours a night and the armadillo sleeps 18 hours a night, but what is it about their behavior, about their evolution that caused those dramatic differences, that made our cave fish lose sleep? And it’s really tricky to study, because it’s hard to go back in time, we can’t go back in time, and trace how their sleep changed over time. It’s not like the fossil record where you can look at changes in bone structure, let’s say, like we’ve done for early hominids. And so what we end up doing is comparing a lot of existing species. And it’s a challenge, but I think it’s, it’s achievable.

Strogatz (41:09):Thinking about sleep evolution research, is there one question that you could identify that you’re most excited about?

Keene (41:16):I think I’m most excited about this idea of linking the animal’s natural ecology to sleep itself, because I think that’s a tangible one. More and more animals are being used to study sleep now, and a lot of that’s being driven by the development of CRISPR. That gives us the ability now to manipulate genes in neurons in just about any model we look at, when before that was limited to a small subset of biological models.

So I’ll give you an example. We started looking at sleep in fish, these cichlid fish that you commonly see in pet stores, from Lake Malawi, in Africa. And there are hundreds of species of fish that all share the same lake and live in close proximity to each other. But they have really different sleep patterns, and sleep durations. And so, we think we can use that, just like we’re using our cavefish, to understand what is it about each individual species, how they forage, how territorial they are, how they’re preyed upon, that links to sleep. And I think this is true for lots of different model organisms. You know, the more we study sleep in different animal models, the more we’ll learn about the links between their ecology to how much they need to sleep.

Strogatz (42:26):Wow, that’s a fantastic note to end on. Thank you so much for joining us today, Alex.

Keene (42:32):Thanks so much for having me. This was really fun.

Announcer (42:38):If you like The Joy of Why , check out the Quanta Magazine Science Podcast , hosted by me, Susan Valot, one of the producers of this show. Also, tell your friends about this podcast and give us a like or follow where you listen. It helps people find The Joy of Why Podcast .

Steve Strogatz (43:01):The Joy of Why is a podcast from Quanta Magazine , an editorially independent publication supported by the Simons Foundation. Funding decisions by the Simons Foundation have no influence on the selection of topics, guests, or other editorial decisions in this podcast, or in Quanta Magazine . The Joy of Why is produced by Susan Valot and Polly Stryker. Our editors are John Rennie and Thomas Lin. Our theme music was composed by Richie Johnson, and I’m your host, Steve Strogatz. If you have any questions or comments for us, please email us at [email protected] Thanks for listening.