眼动运动学揭示睡眠亚态的新昼夜节律组织

为什么微小鱼眼对我们的睡眠很重要

睡眠看起来像是完全关闭，但在大脑内部它通过一系列隐秘阶段展开。在哺乳动物中，其中一些阶段是由我们闭眼下眼球的跳动方式定义的。直到现在，科学家们还不确定类似丰富的睡眠结构是否存在于非哺乳动物如鱼类中。本研究使用幼年斑马鱼的高分辨率记录，揭示了它们的眼睛同样讲述了一个出人意料的复杂睡眠故事——这一故事围绕昼夜节律组织，并与人类睡眠的某些方面产生呼应。

全天候观察鱼类

研究人员搭建了一个成像系统，能够同时连续跟踪多达20只微小斑马鱼幼体，时间可达数天。该装置在浅圆盘中跟随每只自由游动的鱼，测量其游动速度及眼球运动。在已确立的斑马鱼标准中，鱼在至少一分钟内几乎不动的时期被视为“睡眠”，因为此时动物更难被唤醒。在这些安静期内，团队分析了眼球发生快速、协调跳动的频率、跳动间的暂停时长以及静止的平滑程度。这使他们能够仅基于眼动行为将每一分钟的睡眠划分为不同类别。

鱼类睡眠的四种风味

从这份庞大的数据集中，出现了四种明显分离的睡眠亚态。其中三种涉及眼球运动（分别命名为 QEM-1、QEM-2 和 QEM-3），一种则完全没有眼动（QNEM）。QEM-1 的特征是频繁、规则的眼跳和短促稳定的间歇，而 QEM-2 与 QEM-3 则表现为较少且更不规则的运动，并具有不同的减速与凝视模式。至关重要的是，这四种亚态都是真正的睡眠：在每一种状态下，相较于清醒时，鱼对亮闪光或机械敲击的惊吓反应都降低。其中一种亚态 QEM-1 还表现出部分身体姿势丧失、被剥夺后出现补偿性反弹，以及在大脑关键警觉中心的整体活动降低，这些证据共同证实其为一种真实的低唤醒睡眠模式。

随日光与光照变化的睡眠

这四种亚态并非在一天中随机分布。相反，它们呈现出与内在生物钟和周围光照紧密相关的明显不同时间表。QNEM 与 QEM-3 在夜间占主导地位，提供深沉、安静的睡眠。QEM-2 主要也是夜间状态，但在清晨趋于增多，暗示它向觉醒过渡的桥梁作用。出人意料的是，QEM-1 几乎只在白天出现，并构成白天睡眠的大部分。当团队将鱼置于恒亮或恒暗环境中时，睡眠总量发生了变化，但这些亚态的相对时序仍显示出清晰的昼夜节律。一种简单的人工神经网络模型，仅以一天中的时间、光照水平和鱼在容器中停留的时长为输入，就能重现大部分观察到的亚态模式，表明少数关键信号就足以驱动该系统。

鱼类之间以及大脑内部的共享睡眠结构

这些新识别的睡眠亚态并非某一实验室品系的偶然现象。与之近缘的 Danio 属物种和多个斑马鱼品系都显示出相同的四种亚态及大体相似的昼夜组织，尽管存在一些物种特异性的差异。放大到大脑水平，作者使用全脑钙成像在 QEM-1 期间观察神经元活动。大脑大部分区域都趋于静默，包括作为觉醒枢纽的去甲肾上腺素能蓝斑。然而，特定脑干区域的一小组神经元在每次 QEM-1 发作过程中以可靠的模式呈现活动上升或下降。当作者对许多神经元的活动同时进行分析时，发现大脑在 QEM-1 期间沿着一个光滑、低维的轨迹移动，其一致性如此之高，以至于一个简单的解码器仅凭神经信号就能估算出 QEM-1 发作已进行到何种程度。

这对理解睡眠意味着什么

对非专业观察者来说，处于静止状态的斑马鱼幼体看似仅仅是睡着或醒着。此项工作揭示，在表面之下，它的睡眠被划分为多个保守的阶段，这些阶段以眼动为标志，并由昼夜时间和光照严格安排。其中一种白天亚态 QEM-1 展现了睡眠的全部特征——从高唤醒阈值到稳态补偿再到有组织的大脑动力学——尽管它发生在通常认为动物应活跃的明亮光照下。综合来看，这些结果表明，结构复杂的多阶段睡眠并非哺乳动物独有，而可能是脊椎动物大脑的古老特征，由紧凑的回路构成，这些回路协调整合眼球运动、姿势、感觉反应性与内部时钟。

引用: Choudhary, V., Heller, C.R., Aimon, S. et al. Eye movement kinematics reveal novel circadian organization of sleep substates. Nat Commun 17, 4068 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72222-0

关键词: 斑马鱼睡眠, 昼夜节律, 眼球运动, 脑态, 神经动力学