夏日炎炎總是令人昏昏欲睡，常有疲倦無(wú)力感?！柑扑伟舜蠹摇怪坏脑?shī)人柳宗元曾寫(xiě)道：南州溽暑醉如酒，隱幾熟眠開(kāi)北牖，形象生動(dòng)地展現(xiàn)了盛夏之時(shí)人們因暑熱困倦得如同喝醉一般的狀態(tài)。

那么，人們春乏秋困夏打盹背后的深層次生理原因是什么呢？

美國(guó)西北大學(xué)溫伯格藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的 Marco Gallio 團(tuán)隊(duì)在 Current Biology 期刊發(fā)表了題為：A thermometer circuit for hot temperature adjusts Drosophila behavior to persistent heat 的研究論文。

該研究以與人類(lèi)聯(lián)系密切的果蠅作為模式動(dòng)物，發(fā)現(xiàn)果蠅已經(jīng)被設(shè)定好了在中午小睡的生理程序。該程序由果蠅體內(nèi)起到「溫度計(jì)」作用的內(nèi)部交流傳感器主導(dǎo)，這個(gè)位于果蠅大腦中的內(nèi)部傳感器與果蠅優(yōu)選生存范圍以上的溫度（25℃）成比例地持續(xù)活動(dòng)，靶向驅(qū)動(dòng)果蠅大腦中的晝夜節(jié)律神經(jīng)元，進(jìn)而調(diào)節(jié)白天的睡眠以適應(yīng)炎熱環(huán)境。

以果蠅為模型，證明溫度影響生物睡眠

溫度影響著人類(lèi)行為的跨度，從飲食、活動(dòng)水平到睡眠-覺(jué)醒周期，均與其息息相關(guān)。在夏天，人們可能很難入睡，在寒冷的早晨起床也會(huì)很困難。但是大腦感覺(jué)神經(jīng)元和控制該循環(huán)的神經(jīng)元之間的聯(lián)系還不完全清楚。

果蠅具有簡(jiǎn)約但不簡(jiǎn)單的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，與哺乳動(dòng)物的睡眠調(diào)控機(jī)制在分子水平上高度保守，在神經(jīng)環(huán)路調(diào)控上具有類(lèi)似性，從 2000 年起果蠅便成為了睡眠研究的重要模式生物。

此外，果蠅（Drosophila）通過(guò)與人類(lèi)形成密切的聯(lián)系，它最喜歡的生存溫度（25℃）與大多數(shù)人類(lèi)是一致的。它們不會(huì)像人類(lèi)那樣破壞本能選擇熬夜，還允許研究人員光和溫度等外部因素對(duì)細(xì)胞通路的影響，是研究「我們?yōu)槭裁此X(jué)」、「睡眠對(duì)大腦有什么作用」等問(wèn)題的一個(gè)良好模型。

工欲行其事, 必先利其器。為了解釋果蠅的睡眠和活動(dòng)模式如何適應(yīng)特定溫度條件，研究人員們歷時(shí) 10 年，首次繪制了第一張完整的動(dòng)物（果蠅）神經(jīng)連接圖譜，其被稱(chēng)為「連接體」。通過(guò)該連接體的圖譜，果蠅約 10 萬(wàn)個(gè)腦細(xì)胞中每個(gè)腦細(xì)胞的所有可能的大腦連接，被研究人員盡收眼底。

該團(tuán)隊(duì)在前期研究中發(fā)現(xiàn)，果蠅體內(nèi)中存在一個(gè)專(zhuān)門(mén)的「低溫溫度計(jì)」回路，可根據(jù)低溫選擇性調(diào)節(jié)白天睡眠。

該電路由果蠅的冷激活熱感覺(jué)受體神經(jīng)元（TRNs）和一種感知寒冷的神經(jīng)細(xì)胞 TPN-II 組成。當(dāng)環(huán)境溫度低于 25℃，即低于果蠅的舒適溫度時(shí)，這種感知寒冷的神經(jīng)細(xì)胞就會(huì)持續(xù)活躍，進(jìn)而抑制由光線促進(jìn)清醒的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。而且，氣溫越低，信號(hào)越密集。為「大冬天為什么起床困難」這一問(wèn)題找到了科學(xué)解釋。

果蠅大腦中存在獨(dú)特的高溫調(diào)節(jié)溫度計(jì)

那么，果蠅大腦中是否存在用于高溫條件下的「溫度計(jì)」電路？本研究首次確定了位于果蠅頭部的「絕對(duì)熱量」感受器。這種感受器位于大腦連接體中的 AC 神經(jīng)元（ACs），通過(guò)驅(qū)動(dòng)果蠅大腦中的晝夜節(jié)律神經(jīng)元 LPNs, 會(huì)對(duì)超過(guò) 25℃ 的溫度做出反應(yīng)，在果蠅體內(nèi)起到溫度計(jì)的作用。

ACs 和 LPNs 通過(guò)感知高溫共同調(diào)節(jié)白天的睡眠結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度超過(guò) 25℃ 時(shí)，LPNs 的放電持續(xù)增加，并隨著溫度的增長(zhǎng)變得更加活躍。這一方面取決于 ACs 的興奮性驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還受到另一類(lèi)接收熱傳感器神經(jīng)元 TPN-IV 的驅(qū)動(dòng)。

當(dāng)熱回路活躍時(shí)，促進(jìn)午間睡眠的目標(biāo)細(xì)胞會(huì)更長(zhǎng)時(shí)間地發(fā)揮作用。這導(dǎo)致了果蠅中午睡眠時(shí)間的增加，使得果蠅遠(yuǎn)離一天中最熱的時(shí)間。

總之，AC/LPN 與冷回路并聯(lián)運(yùn)行，允許果蠅選擇熱/冷睡眠時(shí)間和狀態(tài)調(diào)整。

這一結(jié)果符合研究人員基于此前關(guān)于果蠅「低溫溫度計(jì)」回路的研究結(jié)果所提出的猜想：接收熱量信息的大腦神經(jīng)元是調(diào)節(jié)睡眠的系統(tǒng)的一部分。

該研究的通訊作者 Marco Gallio 認(rèn)為：「不同的熱與冷的回路是有意義的，因?yàn)闊崤c冷的溫度對(duì)生理和行為的影響是完全不同的」。他們希望找出果蠅大腦中神經(jīng)元冷回路和熱回路的共同作用靶標(biāo)，以發(fā)現(xiàn)它們是如何影響睡眠的。

隨著全球氣候變暖和極端高溫的出現(xiàn)，人體更可能出現(xiàn)睡眠質(zhì)量下降、免疫力下降的情況。因此，了解環(huán)境溫度調(diào)控睡眠的神經(jīng)機(jī)制對(duì)于捍衛(wèi)人類(lèi)健康至關(guān)重要。

2021 年，來(lái)自東南大學(xué)的韓俊海研究團(tuán)隊(duì)也曾對(duì)環(huán)境溫度調(diào)控睡眠的神經(jīng)機(jī)制進(jìn)行了探索，研究成果發(fā)表在 Current Biology 雜志。該研究揭示了介導(dǎo)溫度調(diào)控睡眠的神經(jīng)環(huán)路，解答了「為什么會(huì)被熱醒」這一問(wèn)題。

該研究首次揭示了 AC-DN1p-PI 神經(jīng)環(huán)路介導(dǎo)的感知環(huán)境溫度上升，釋放 CNMa 神經(jīng)肽信號(hào)，進(jìn)而促進(jìn)夜晚覺(jué)醒的調(diào)控過(guò)程。

對(duì)溫度的感知是生物的一種基礎(chǔ)感知方式，研究人員在果蠅大腦中發(fā)現(xiàn)的機(jī)制，很可能同樣適用于人類(lèi)。人們可能會(huì)選擇在炎熱的天氣里睡午覺(jué)，在世界的某些地方，這是一種文化常態(tài)。但在果蠅身上，我們觀察到了一種非常強(qiáng)大的潛在生物學(xué)機(jī)制，果蠅被預(yù)先編程為在炎熱的中午打盹，而這種機(jī)制在人類(lèi)中可能被忽視了。

Marco Gallio 表示，接下來(lái)他們團(tuán)隊(duì)將致力于找出冷回路和熱回路的共同靶點(diǎn)，以確定這個(gè)靶點(diǎn)如何影響睡眠。并且將繼續(xù)探索溫度對(duì)行為和生理的長(zhǎng)期影響，以了解全球變暖對(duì)物種生存的影響。

參考資料：

1. Michael H. Alpert, Hamin Gil, Alessia Para, Marco Gallio. A thermometer circuit for hot temperature adjusts Drosophila behavior to persistent heat. Current Biology, 2022; DOI: 10.1016/j.cub.2022.07.060

2.  Michael H.Alpert et al., A Circuit Encoding Absolute Cold Temperature in Drosophila. Current Biology, 2020; DOI: https:///10.1016/j.cub.2020.04.038

3. Jin X, Tian Y, Zhang ZC, Gu P, Liu C, Han J. A subset of DN1p neurons integrates thermosensory inputs to promote wakefulness via CNMa signaling. Curr Biol. 2021;31(10):2075-2087.e6. doi:10.1016/j.cub.2021.02.048