在哈佛醫學院的實驗室裡，數百隻果蠅被迫連續熬夜好幾天無法睡覺，它們住的試管不停地晃動妨礙休息；在不遠處的試管裡，還住著其他無時無刻都保持清醒的基因改造果蠅。無論是睡眠不足的果蠅還是經過基因改造的果蠅都很快就死了——事實上，經過基因改造的果蠅存活時間只有充分休息的對照組一半。經過連續幾天的失眠，果蠅的數量急遽下降，沒多久試管就全空了。

 

　　我們知道生物需要睡眠來維持生理機能，但嚴重的睡眠不足有更嚴重和直接的影響：動物如果被完全剝奪睡眠就會死亡。然而，奇怪的是科學家很難確切回答睡眠不足真正的致死原因。

 

　　睡眠最初被視為一種神經系統現象，但是當生物因睡眠不足死亡時，神經系統以外的部分也會出現損傷。如果人類和實驗動物長期缺乏睡眠，隨著時間會造成許多健康問題，例如心臟病、高血壓、肥胖和糖尿病，但這些問題並不會也不能馬上殺死在幾天或幾周內缺乏睡眠的生物。

 

　　那睡眠不足的致死原因是什麼？解答這個問題能解釋為何生物需要睡眠嗎？哈佛醫學院神經系統科學家德拉加娜‧羅古莉亞（Dragana Rogulja）仔細翻閱許多資料找尋答案，也在實驗室裡觀察這些「徹夜不眠的蒼蠅」，她不相信睡眠不足的致死原因源於大腦，她說：「死因可能來自任何地方，而且似乎不是多數人以為的那樣。」

 

　　羅古莉亞發現一些證據支持她的直覺，她與同事發表在期刊《細胞》（Cell）的論文指出，當果蠅因睡眠不足死亡時，致死原因並非源於大腦，而是在腸道。顯微照片顯示，果蠅的腸道內充斥著紫紅色，表明一種破壞DNA並損傷細胞的分子在此堆積。這些分子在睡眠被剝奪不久後就已經出現，遠早於其他的失眠警訊；如果重新讓果蠅睡覺，這些分子也隨之消失。值得注意的是，當果蠅吸收可中和這些分子的抗氧化劑，即使不睡覺也不會怎樣，存活時間跟得到充分休息的果蠅一樣長。研究結果顯示，睡眠最基本的功能是一套古老的調節氧化過程。

 

 

　　早期對睡眠不足的研究非常瘋狂。1894年，俄羅斯生化學家瑪麗亞‧米哈伊洛夫娜‧馬娜西娜（Maria Mikhailovna Manaseina）在國際醫學大會上發表對10隻幼犬所做的實驗：她跟助手強迫幼犬24小時不睡覺，而且不眠不休地活動；在短短五天內，所有的幼犬都死了，睡眠不足似乎比飢餓更容易造成幼犬死亡，她說道：「對幼犬來說，沒有睡眠比沒有食物更致命。」

 

　　屍體解剖顯示，幼犬的組織修復狀況不良，尤其大腦到處都是出血、血管受損與其他恐怖的情況。馬娜西娜總結說，睡眠並不是一種無用的習慣，它對大腦健康具有深遠的影響。

 

　　隨之而來的是更多驚悚的實驗。1898年，義大利研究員蘭博托‧達迪（Lamberto Daddi）發表被剝奪睡眠的狗的大腦細節圖；他的報告指出，狗的大腦出現明顯的退化損傷，與狗面對其他壓力時的情況類似。大約在同一時期，精神病學家凱薩‧阿戈斯蒂尼（Cesar Agostini）把狗關在裝有鈴鐺的籠子，每當它們想躺下休息時，鈴鐺就會發出可怕的聲響。1920年代，日本科學家用釘著釘子的籠子做了類似的實驗。

 

　　這些研究除了一貫的殘酷外，還有一個相似的弱點：他們都沒有進行有效的控制。這些被拿來實驗的狗都死了，它們的組織看起來異常——但真的是因為它們沒有睡覺嗎？或者只是因為不停的活動和刺激本身就是壓力？這些研究都無法把失眠的後果與過度刺激分開。

 

 

　　科學家花了幾十年時間才重新探究這個問題。1980年代，因研究嗜睡症知名的芝加哥大學睡眠研究員艾倫‧里奇沙芬（Allan Rechtschaffen）開始設計實驗把過度刺激與失眠影響區分開來。他設計出一個懸吊在水上的轉盤鼠籠，並在中間放置隔板，讓老鼠可以分別住在兩邊，下方的轉盤則能自由轉動。科學家將兩隻老鼠放進裝置裡，而其中一隻註定會被剝奪睡眠。每當不可以睡覺的老鼠想休息時，科學家就用轉盤把兩隻老鼠都叫醒，有時還讓它們掉進水裡。

 

　　這個機關確保了雖然兩隻老鼠掉進水裡的頻率相同，但是當被剝奪睡眠的老鼠醒著的時候，對照組的老鼠還是可以稍作休息（只有不能睡覺的老鼠想睡時才會被叫醒）。事實上，對照組的老鼠睡了正常睡眠時間的70％，只有輕微的睡眠不足。而實驗組的老鼠只得到不到9％的正常睡眠時間，幾乎是完全被剝奪睡眠。

 

　　兩組老鼠被干擾的次數相同，也都承受著無預警掉進水裡的壓力。但研究結果發現，只有嚴重缺乏睡眠的老鼠的健康出現問題，毛不但變得粗糙，顏色也從白色變成髒汙的黃色。它們的皮膚出現病變，體重也急遽下滑。平均在15天後，實驗組的老鼠就會死亡。里奇沙芬的新方法證明了睡眠不足確實會致死。

 

　　里奇沙芬成功的實驗本應讓科學家發現睡眠不足的致命原因，或者更瞭解睡眠之所以不可或缺的關鍵。但是當科學家對老鼠解剖檢時，他們發現的大部分情況只是變得更加困惑。實驗組和對照組的老鼠之間幾乎沒有一致的差異，也沒有跡象表明導致死亡的原因。被剝奪睡眠的老鼠很瘦弱，腎上腺增大，但差別僅此而已，科學家得出的結論是：「解剖後並沒有確切的死因。」

 

　　但是，睡眠研究領域普遍認為，睡眠最基本功能的答案可以在大腦中找到，而如今絕大多數的睡眠研究仍集中在大腦與認知障礙方面。睡眠不足確實會改變人體的新陳代謝——與糖尿病和代謝疾病有關——但想找出睡眠本質的科學家很少從新陳代謝方面著手。

 

　　羅古莉亞的研究重點在於觀察參與調節睡眠的神經元，但其實睡眠不足會損害血液循環、消化、免疫系統和新陳代謝，她好奇這些影響究竟是神經導致，還是相互獨立的現象，她說：「似乎不可能完全是大腦的問題。」

 

 

　　她聽過里奇沙芬的經典實驗，但後來幾乎沒有相關的後續研究。當「睡眠不足會致死」的觀點確立後，以剝奪睡眠研究睡眠本質的研究少了很多。在隨後的幾十年，果蠅成為睡眠研究領域的主要實驗對象，因為科學家熟悉其基因更易於操作，而且實驗成本也不高，最重要的是許多剛開始在果蠅身上發現的睡眠現象，最後也能從哺乳動物身上證實。因此，當羅古莉亞好奇睡眠不足的致死原因時，這似乎再次成為一項值得進行的研究。

 

　　2016年，博士後研究員亞歷山卓‧瓦卡羅（Alexandra Vaccaro）來到羅古莉亞的實驗室，兩人想出了一個計畫。首先，他們從其他實驗室獲得經過基因改造的果蠅，讓果蠅的某些神經元中擁有對溫度敏感的通道（開關）。攝氏28度以上時，開關就會打開並保持開啟狀態，使神經元保持活躍（果蠅維持清醒）。當開關關閉時，果蠅一般的正常壽命為110天。但是把開關開啟時，果蠅平均在10天左右就會死於睡眠不足，並在20天內全數死亡。

 

　　當瓦卡羅進行實驗時，有趣的事情發生了。她發現如果及時關閉通道，讓果蠅在第10天睡覺，它們就會恢復活過來，存活時間跟對照組一樣長。但如果在5天或10天後再次剝奪睡眠，它們就會死亡：無論果蠅最初因為失眠產生什麼損傷，顯然都還沒有恢復過來。在再次被剝奪睡眠而不會立刻死亡，果蠅需要正常的睡眠15天。

 

　　當瓦卡羅解剖不同失眠程度的果蠅時，它們的組織似乎都沒有受到損傷，只有一個非常明顯的例外：它們的內臟充斥著「活性氧物質」（ROS，帶有一個多餘電子的氧原子）。一些活性氧是生物在正常呼吸、代謝和免疫過程中產生，有時用於特定功能，有時作為副產物，但如果活性氧沒有被抗氧化酶清除就會變得極其危險，因為不平衡的氧會破壞DNA、蛋白質和脂質。事實上，在果蠅被剝奪睡眠的一周後，活性氧物質便已經出現，而且氧化損傷的標記飆升——這是細胞處於危機的警訊。

 

　　活性氧濃度在被剝奪睡眠的第10天達到高峰，當果蠅開始正常睡眠以後，活性氧濃度需要約15天才能再次接近基準線，與果蠅能承受再次剝奪睡眠而不會立刻死亡的時間相符。

 

 

　　羅古莉亞和瓦卡羅沒有預料到在計畫開始的幾個月內就能產生如此明確的結果，謹慎的他們立刻開始懷疑結果。因此在過去的三年內，他們一直在研究氧化與睡眠不足之間的明顯關聯，並以更傳統的方法來剝奪果蠅的睡眠——每兩秒鐘搖晃裝有果蠅的試管——並檢查活性氧濃度是否與睡眠不足程度相關。研究團隊觀察了擁有促進睡眠或清醒的基因改造果蠅，被剝奪睡眠的果蠅體內出現了活性氧物質，而另一種可忍受睡眠不足的基因改造果蠅的腸道中並沒有出現活性氧物質。

 

　　這個研究計畫中最為奇怪的時期，可能是科學家用抗氧化劑來對抗果蠅體內的活性氧物質的決定。這聽起來像是可笑的健康食品實驗，但瓦卡羅找到對蒼蠅已知有效的抗氧化劑，然後讓果蠅吸收。令科學家驚訝的是，這些被剝奪睡眠的果蠅竟然活到了正常壽命。當他們提高腸道內的抗氧化酶濃度時，同樣的情況也會發生（但很顯然如果提高神經系統的抗氧化酶濃度，情況並沒有改善）。

 

　　這項研究後續在老鼠身上進行簡易版的果蠅實驗，他們將老鼠關在裝有旋轉棒（可以輕輕推動老鼠移動）的籠子，並讓它們連續5天不睡，老鼠的腸道也出現了活性氧物質。這些新發現的意義仍有待探索。科學家認為，睡眠對於身體的氧化調節至關重要（尤其是在腸道之內），而且很可能對整個身體產生廣泛影響。

 

　　然而，最緊迫的問題或許是：沒有人知道活性氧物質從何而來？為什麼在腸道內積聚？是什麼過程產生它們？睡眠不足是否讓活性氧物質過度產生？或者是它干擾清除它們的正常過程？為什麼活性氧物質與睡眠相關？羅古莉亞正在計畫進行其他實驗來探究這些問題。

 

　　但這一切仍無法完全解答睡眠對身體的重要性，因為學習、新陳代謝、記憶和無數其他功能與系統都受睡眠的影響。即使活性氧物質是睡眠不足的致死原因之一，但沒有證據表明它是其他影響的原因。儘管抗氧化劑能防止果蠅過早死亡，但它們或許無法改變睡眠不足導致的其他傷害。

 

 

原文出處：Quanta