Voor dieren zonder oogleden zijn vissen verrassend genoeg in staat om een serieuze sluiter te vangen.
Wanneer zebravissen ( Danio rerio) in slaap vallen, ze vangen hun zs net als mensen, blijkt uit nieuw onderzoek. Deze gestreepte zwemmers lijken zelfs het piscine equivalent van REM-slaap te ervaren, het stadium waarin mensen dromen – en iets dat tot nu toe alleen is gemeld bij zoogdieren, vogels en reptielen.
Dat niet Het betekent noodzakelijkerwijs dat vissen dromen, of zelfs dat hun versie van slaap volledig identiek is aan die van ons. Toch suggereert de studie, die vandaag in het tijdschrift Nature is gepubliceerd, dat snoozing in meerdere stappen vaak voorkomt bij gewervelde dieren – de groep dieren die zoogdieren, vogels, reptielen, amfibieën en vissen omvat – en mogelijk meer dan 450 miljoen jaar geleden is ontstaan. .
“Deze paper is lang op komst”, zegt Audrey Chen Lew, een neurobioloog aan de University of California, Irvine die niet bij het onderzoek betrokken was. “Het is echt mooi werk dat … aantoont overeenkomsten tussen vissen en mensen en andere zoogdieren die we nog niet eerder hebben gezien. ”
Dat slaap min of meer alomtegenwoordig is bij complexe dieren zoals gewervelde dieren, die allemaal het neurale circuit hebben waaruit het ruggenmerg bestaat, klinkt misschien als een no-brainer. Maar in de wereld van neurobiologie zijn de dingen niet zo zwart-wit.
Een probleem is dat slaap niet altijd gemakkelijk te meten of te identificeren is. Bij sommige wezens is het gedrag gemakkelijk te herkennen: als ze in slaap vallen, zullen veel dieren zich in een ontspannen houding nestelen, de meeste van hun bewegingen stoppen en zich gedurende langere tijd minder bewust worden van hun omgeving (zonder in coma te raken). of andere moeilijk te omkeren staat van zijn).
Andere organismen houden zich echter niet aan deze criteria, wat onderzoekers ertoe aanzet te zoeken naar een meer cellulaire definitie van slaap – iets dat universeel kan worden gedetecteerd onder al diegenen die in feite regelmatig sluimeren.
Zebravissen zijn transparant tijdens hun eerste levensweken. Hier afgebeeld is een larve, of juveniel. Image Credit: Shawn Burgess, NHGRI, Wikimedia Commons
Dat is eigenlijk iets dat wetenschappers min of meer hebben genageld bij zoogdieren, vogels en reptielen, die allemaal vergelijkbare patronen van elektrische activiteit in de hersenen vertonen wanneer ze op het hooi slaan. Vissen daarentegen zijn grotendeels mysterieus gebleven, deels vanwege het feit dat veel slaaponderzoeksmethoden zijn afgestemd op mensen en andere soorten op het land.
Maar ook al worden ze gescheiden door Ten minste 400 miljoen jaar evolutie, vissen en mensen zijn niet zo verschillend. Door het hele lichaam van de vis zijn bekende kenmerken van de menselijke fysiologie te zien, tot aan de genen die in hun DNA zijn geschreven. Als het op vissen aankomt, zijn er de juiste machines voor een mensachtige slaap, zegt studie auteur Philippe Mourrain, een neurobioloog aan de Stanford University. Alleen had nog niemand een manier gevonden om te controleren of het hetzelfde deed.
Dus besloot een team van wetenschappers onder leiding van Mourrain een eigen methode uit te vinden. In slaaponderzoeken bij mensen registreren sensoren die op het lichaam van een persoon zijn aangesloten, hun hersenactiviteit, hartslag, ademhaling en spierbewegingen. Geïnspireerd door deze uitgebreide reeks metingen, ontwikkelden de onderzoekers wat in feite een scan van het hele lichaam was voor een zebravis – een gestreepte, centimeter lange minnow die zich ontwikkelt met een transparant lichaam tijdens de eerste paar weken van zijn leven.
Deze doorschijnende huid was de sleutel tot het succes van het experiment, omdat het de onderzoekers in staat stelde rechtstreeks in de organen van de vis te kijken zonder operaties of andere invasieve procedures, zegt studie auteur Louis Leung, die onderzoek doet onder Mourrains toezicht. Bij mensen worden veel slaapstudiemetingen verzameld door elektrische signalen op te nemen via elektroden op de huid. Maar dankzij de transparantie van de vis konden de onderzoekers dezelfde soorten gegevens verzamelen door simpelweg fluorescerende markeringen in cellen te plaatsen, die vervolgens oplichtten in de aanwezigheid van elektrische signalen, wat een picturaal spel opleverde door het gedrag van individuele cellen in de loop van de tijd.
Toen het team de hersengolven van een school jonge zebravissen in rust analyseerde, ontdekten ze twee bekende patronen van elektrische activiteit. De eerste vertoonde een opvallende gelijkenis met wat bij mensen bekend staat als diepe of langzame slaap, zo genoemd omdat het een reeks gesynchroniseerde, laagfrequente hersengolven produceert. Bij mensen wordt diepe slaap gekenmerkt door een lage hersenactiviteit en wordt gedacht dat het het lichaam de kans geeft om te herstellen. Het kan ook een rol spelen bij geheugenconsolidatie.
Als dat ook zo is bij vis, zegt Mourrain, dan is dat heel logisch. Zelfs bij dieren voor wie het leven goed verloopt, is er altijd behoefte aan wat R & R. En ook vissen moeten leren. Maar Mourrain was veel meer verbaasd toen hij zag dat een ander kenmerk van menselijke slaap weerkaatste in de zebravis: de toestand waarin mensen dromen.
De zogenaamde REM-slaap (Rapid-Eye Movement) barst eigenlijk van de hersenactiviteit, vergelijkbaar met metingen tijdens de wakkere uren. Het grote verschil is natuurlijk dat de rest van het lichaam niet wakker is en eigenlijk grotendeels geïmmobiliseerd is (behalve de ogen, die bij mensen heen en weer bewegen).
Veel van dit lijkt ook waar te zijn voor zebravissen, behalve voor hun ogen, die samen met de rest van het lichaam stil bleven, zegt Mourrain. (Veel andere dieren houden ook hun ogen stil tijdens de REM-slaap.)
Noch de diepe slaap, noch de REM-slaap was volledig identiek tussen mens en vis, zegt Guliz Ozcan, een neurobioloog en zebravisexpert aan het University College London die was niet betrokken bij het onderzoek. Om te beginnen was het zebravis-equivalent van slow-wave-slaap veel, nou ja, langzamer. Ondanks deze verschillen, zegt Ozcan, zijn de neurale handtekeningen van beide toestanden duidelijk herkenbaar – wat impliceert dat de menselijke versie van slaap misschien veel minder menselijk is dan ooit werd gedacht.
Met deze nieuwe bevindingen zegt Leung: zebravissen kunnen zich nu aansluiten bij de groeiende lijst van gewervelde dieren waarin slaap op een meer moleculair niveau is vastgesteld. Zonder elke afzonderlijke gewervelde die er bestaat te testen, is het moeilijk te zeggen of meertraps slaap universeel is in deze groep, voegt hij eraan toe. vissen – die ongeveer de helft van alle bekende gewervelde soorten vormen – de zebravis en zijn verrassende slaap duiden erop dat slaap in meerdere fasen aanwezig kan zijn geweest in een gemeenschappelijke voorouder van zoogdieren, vogels, reptielen en vissen, die minstens 450 miljoen jaar geleden leefde. / p>
Amfibieën delen deze eigenschap waarschijnlijk ook, omdat ze nauwer aan ons verwant zijn dan vissen, zegt Mourrain. De volgende stap, voegt hij eraan toe, zal zijn om te zien of dezelfde handtekeningen nog verder reiken terug in evolutionaire tijd e.
Boven: een zebravislarve met een fluorescerend centraal zenuwstelsel. Cellen lichten op als ze actief worden. Onderkant: het centrale zenuwstelsel en de spieren van de zebravis, verlicht met dezelfde fluorescentie. Met behulp van dit systeem konden onderzoekers cellulaire handtekeningen van slaap registreren zonder invasieve procedures. Image Credit: met dank aan Louis Leung, Stanford University
Dergelijke diepgewortelde implicaties maken dit artikel “een totale doorbraak “, zegt Eva Naumann, een neurobioloog aan Duke University die niet bij het onderzoek betrokken was.” Ik kan het niet genoeg benadrukken: was het ontbrekende stukje van de puzzel … ik heb op een onderzoek als dit gewacht om naar buiten komen sinds ik op dit gebied begon te werken. ”
Het grote plaatje hier schildert mensen echter niet als primitief. Deze resultaten zouden eerder de zebravis als modelsysteem moeten verheffen om neurale verschijnselen zoals slaap te bestuderen, voegt Naumann toe.
De resultaten van de studie toonden ook aan dat zebravissen reageren wanneer ze geen slaap krijgen of worden behandeld met slaappillen. vergelijkbaar met mensen, zowel gedragsmatig als fysiologisch, wat erop wijst dat ze ook nuttig kunnen zijn bij het screenen van medicijnen om onregelmatige of verstoorde slaap te behandelen, zegt Ozcan.
Er is echter nog steeds de olifant in de kamer: ondanks dat ze zo wijdverspreid zijn , slaap en al zijn stadia blijven onderzoekers puzzelen die proberen hun ware doel te achterhalen. Maar wat het dommelen ook doet, als het echt zo lang geleden is geëvolueerd en blijft hangen in zoveel soorten, wijst dat op iets echt essentieel ”, zegt Leung.
Of zebravissen dromen tijdens hun versie van REM, dat is nog een open vraag. Als dromen een product is van leren en onthouden, is dat zeker mogelijk, zegt Mourrain.
De meeste doorbraken komen tenslotte van de meest onverwachte plaatsen, zegt hij. Met inbegrip van degenen waar mensen (of welke andere soort dan ook) nooit van hebben gedroomd.
Ontvang e-mails over aankomende NOVA-programmas en gerelateerde inhoud, evenals aanbevolen rapportage over actuele gebeurtenissen door een wetenschappelijke lens.