Liksom vi, upplever fisken det ”drömande” sömnstadiet

För djur utan ögonlock kan fiskar förvånansvärt fånga några allvarliga ögon.

När zebrafisk ( Danio rerio) slumrar, de fångar sina z-saker som människor gör, visar ny forskning. Dessa randiga simmare verkar till och med uppleva piscineekvivalenten REM-sömn, det stadium där människor drömmer – och något som hittills bara har rapporterats hos däggdjur, fåglar och reptiler.

Det gör inte det betyder inte nödvändigtvis att fiskar drömmer, eller till och med att deras sömnversion är helt identisk med vår. Ändå antyder studien, som publicerades i dag i tidskriften Nature, att flerstegssnoozing kan vara vanligt bland ryggradsdjur – gruppen av djur som inkluderar däggdjur, fåglar, reptiler, amfibier och fisk – och kan ha uppstått för mer än 450 miljoner år sedan .

”Det här dokumentet är en lång tid framöver”, säger Audrey Chen Lew, en neurobiolog vid University of California, Irvine som inte var inblandad i studien. ”Det är riktigt trevligt arbete som … visar likheter mellan fisk och människor och andra däggdjur som vi inte har sett tidigare. ”

Att sömn är mer eller mindre allestädes närvarande bland komplexa djur som ryggradsdjur, som alla har de neurala kretsar som utgör ryggmärgen, kanske låter som en no-brainer. Men i neurobiologins värld är saker inte så svartvita.

En fråga är att sömn inte alltid är lätt att mäta eller identifiera. I vissa varelser är det ett enkelt beteende att välja ut: När de slumrar kommer många djur att slå sig ner i en avslappnad hållning, stoppa de flesta av sina rörelser och bli mindre medvetna om sin omgivning under en längre tid (utan att komma in i koma eller annat svårt att omvända tillstånd av att vara).

Andra organismer följer emellertid inte dessa kriterier, vilket får forskare att söka efter en mer cellulär definition av sömn – något som kan vara universellt detekterbart. bland alla dem som faktiskt bedriver regelbunden sömn.

Det är faktiskt något som forskare har mer eller mindre spikat ner i däggdjur, fåglar och reptiler, som alla uppvisar liknande mönster av elektrisk aktivitet i hjärnan när de träffar höet. Fisk, å andra sidan, har förblev mestadels mystisk, delvis på grund av att många sömnforskningsmetoder är skräddarsydda för människor och andra landbaserade arter.

Men även om de är åtskilda av vid minst 400 miljoner år av evolution, fiskar och människor är inte så olika. Hela fiskkroppen finns kända kännetecken för mänsklig fysiologi, ner till generna skrivna i deras DNA. När det gäller fisk finns det rätt maskiner för människoliknande sömn, säger studieförfattaren Philippe Mourrain, en neurobiolog vid Stanford University. Det är bara att ingen ännu hittat ett sätt att kontrollera om den gör samma sak.

Så ett team av forskare under ledning av Mourrain bestämde sig för att uppfinna en egen metod. I mänskliga sömnstudier registrerar sensorer som är anslutna till en persons kropp deras hjärnaktivitet, hjärtfrekvens, andning och muskelrörelser. Med inspiration från denna omfattande uppsättning mätningar utvecklade forskarna vad som i själva verket var en helkroppssökning för en zebrafisk – en randig, tum lång minnow som utvecklas med en transparent kropp under de första veckorna av livet.

Denna genomskinliga hud var nyckeln till experimentets framgång, eftersom det gjorde det möjligt för forskarna att kika direkt in i fiskens organ utan behov av operationer eller andra invasiva ingrepp, säger studieförfattaren Louis Leung, som bedriver forskning under Mourrains övervakning. Hos människor samlas många sömnstudiemätningar genom att registrera elektriska signaler genom elektroder på huden. Men fiskens transparens gjorde det möjligt för forskarna att samla in samma slags data genom att helt enkelt sätta in fluorescerande markörer i celler, som sedan lyser upp i närvaro av elektriska signaler, vilket ger ett bildspel genom att spela enskilda cellers beteende över tiden.

När teamet analyserade hjärnvågorna från en skola av ung zebrafisk i vila upptäckte de två välkända mönster av elektrisk aktivitet. Den första hade en slående likhet med vad som är känt hos människor som djup eller långsam vågsömn, så kallad för att den producerar en serie synkroniserade hjärnvågor med låg frekvens. Hos människor präglas djup sömn av låg hjärnaktivitet och tros ge kroppen möjlighet att återhämta sig. Det kan också spela en roll i minneskonsolidering.

Om det också är sant för fisk, säger Mourrain, är det mycket meningsfullt. Även hos djur som livet går simning med, finns det alltid ett behov av R & R. Och fisk måste också lära sig. Men Mourrain blev mycket mer förvånad över att se ett annat kännetecken för mänsklig sömn upprepas i zebrafisk: det tillstånd där människor drömmer.

Så kallad REM-sömn (snabb ögonrörelse) sprutar faktiskt av hjärnaktivitet, i nivå med mätningar som gjorts under vakningstid. Den stora skillnaden är naturligtvis att resten av kroppen inte är vaken och faktiskt är mest immobiliserad (förutom ögonen, som hos människor ryckar fram och tillbaka).

Mycket av detta verkar också vara sant för zebrafiskar, förutom deras ögon, som förblev tysta tillsammans med resten av kroppen, säger Mourrain. (Många andra djur håller också ögonen stilla under REM-sömn.)

Varken djup sömn eller REM-sömn var helt identisk mellan människor och fiskar, påpekar Guliz Ozcan, en neurobiolog och zebrafisksexpert vid University College London som var inte inblandad i studien. För det första var zebrafiskekvivalenten för långsam sömn mycket, långsammare. Trots dessa skillnader, säger Ozcan, är de neurala ”signaturerna” i båda staterna tydligt igenkännliga – vilket antyder att den mänskliga versionen av sömn kan vara mycket mindre mänsklig än vad man en gång trodde.

Med dessa nya resultat säger Leung, zebrafisk kan nu gå med i den växande listan över ryggradsdjur där sömnen har fastställts på en mer molekylär nivå. Utan att testa varje enskild ryggradsdjur som finns, är det svårt att säga om sömn i flera steg är universell i denna grupp, tillägger han. Men som representant för fisk – som utgör ungefär hälften av alla kända ryggradsdjurarter – zebrafisken och dess häpnadsväckande sömn antyder att flerstegssömn kan ha varit närvarande i en gemensam förfader till däggdjur, fåglar, reptiler och fisk, som levde för minst 450 miljoner år sedan. / p>

Amfibier kommer sannolikt att dela med sig också, eftersom de är närmare besläktade med oss än fiskar, säger Mourrain. Nästa steg, tillägger han, blir att se om samma signaturer sträcker sig ytterligare tillbaka i evolutionär tim e.

Sådana djupt rotade konsekvenser gör detta papper ”till totalt genombrott, säger Eva Naumann, en neurobiolog vid Duke University som inte var inblandad i studien. ”Jag kan inte överdriva det: var den saknade pusselbiten … Jag har väntat på en sådan studie för att kom ut ända sedan jag började arbeta inom detta område. ”

Hela bilden här målar dock inte människor som primitiva. Snarare bör dessa resultat ”höja zebrafisken som ett modellsystem för att studera neurala fenomen som sömn”, tillägger Naumann.

Studiens resultat visade också att zebrafisk reagerar när sömn berövas eller behandlas med sömntabletter. på samma sätt som människor både beteendemässigt och fysiologiskt och antyder att de också kan vara användbara vid screening av läkemedel för att behandla oregelbunden eller störd sömn, säger Ozcan.

Det finns dock fortfarande elefanten i rummet: Trots att den är så utbredd , sömn och alla dess stadier fortsätter att pussla forskare som försöker sussa ut deras verkliga syfte. Men vad det än är som dåsningen gör, om det verkligen utvecklades så länge sedan och fastnade i så många arter, ”som pekar på något som verkligen väsentligt, säger Leung.

Om zebrafisk drömmer under deras version av REM, är det fortfarande en öppen fråga. Om att drömma är en produkt av lärande och memorering är det verkligen möjligt, säger Mourrain.

När allt kommer omkring kommer de flesta genombrott från de mest oväntade platserna, säger han. Inklusive dem som människor (eller någon annan art, kanske) aldrig ens drömde om.