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20世纪70年代,其他一些研究者更精确地标定了时钟的位置。考虑到昼夜循环会牵连昼夜节律,研究者在老鼠眼睛中注射了有放射性标记的氨基酸,希望可以跟踪从视网膜到公认的时钟之间的神经通路。沿着预期的通向大脑视觉中心的神经通路,他们还发现了一个单突触通路——一条神经热线,它通向视交叉上核,即下丘脑前部的两个微小的神经元群体。这种神经结构极具提示性,显然,时钟对动物的生存而言是如此重要,以至进化出了一条专用的线路将它与眼睛连接起来,而不是停下来做几次突触的传递。为了彻底解决这个问题,研究者随后通过手术破坏了视交叉上核,结果发现,老鼠的昼夜节律也随之消失了。主时钟终于找到了。
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我们对于起搏器的工作细节仍不十分清楚。众所周知,在视交叉上核成千上万的神经元中有很多都是振子。它们每天通过有节律地放电自发循环,这是由一种叫作时钟蛋白质分子的浓度的高低变化驱动的。这些分子的昼夜节律是由一组连锁的生化反馈回路自发产生的,涉及八种类似时钟基因(最近研究的数量,研究结果总在不断变化)的转录和翻译。然后,不知何故,成千上万个振荡的“时钟细胞”试图同步它们的电活动,它们或许是通过一种叫作γ-氨基丁酸(GABA)的神经递质的化学扩散进行耦合的。最后,起搏器集体的电节律传递给了(再次强调,通过未知的手段)肝脏、肾脏,以及全身各处器官的外围振子,监督它们按照与主时钟相同的周期运行。
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对于切斯勒实验结果的解释是,他所测量的所有节律都是由一个单独的昼夜节律起搏器进行协调的。体温周期是一个可靠的标记,这也是当我们以自然参考系的视角观察时,其他所有节律都会与之一致的原因。而我们仍然不知道起搏器如何通过生化反应决定睡眠持续时间和快速眼动睡眠的倾向,所有这些都要等到日后解决。
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而现在,我们只能敬畏这位才华横溢的音乐大师的表现,它不可思议地妥善安排了我们体内的很多节律。当一切都正确运行时,即我们没有时差反应或其他非同步现象时,此时起搏器的性能是惊人的。对于这一点,我们可以从它如何控制身体经过生物学上每天最紧张的时刻——睡醒的时刻,来加以理解:根据起搏器的命令,体温会在两小时前就开始上升;肾上腺分泌大量皮质醇来唤醒我们奔赴前方的战斗;内部的警钟开始鸣响,认知功能、记忆力、敏捷度的节律全部开启并开始提升。在一天中余下的时间里,几乎每个器官系统和生理功能都在一个可预测的时间表上起伏。我们体内无声的交响乐解释了为什么癌症化疗在某些特定阶段最有效(反映了DNA合成以及其他细胞的工作节律);以及为什么心脏病最有可能在9点左右发作(血压达到峰值)。新生儿最有可能在凌晨大约3点至4点之间出生,人也最容易在这个时间死亡,这给了我们一个奇怪的暗示:我们存活的时间倾向于一个精确的、完整的天数。
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这是一个完整的故事,只有结局尚未了结:我们仍然未能解释当人们自发保持同步的时候会发生什么,就像西弗尔在“午夜山洞”那样。当这种情况发生时,睡眠时间似乎完全不再听从起搏器的指挥。真的是这样吗?是否还有另一个秘密隐藏在数据中?昼夜节律密码中是否还有遗失的线索?这是我梦寐以求想要解决的博士课题。
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1982年秋,我作为一名新入学的研究生来到了哈佛大学应用数学系。与波士顿市内的一条河相隔,查尔斯·切斯勒刚刚被聘为哈佛大学医学院和布莱根妇女医院的助理教授。同年夏天,我与阿瑟·温弗里一同工作的时候就听说了切斯勒。温弗里是一名研究昼夜节律的前沿工作者,他特别赞赏切斯勒关于睡眠时间规律的新发现,并在发表于世界顶级科学杂志《自然》的一篇评论文章中提到了它。我至今仍记得那个发现给我带来的震撼。不可思议的是,尽管人类的心理和意志变幻莫测,但是醒睡周期却遵循着一个简单而又通用的模式。体内的非同步可能从表面看来毫无规则,但从更深的层次看却有着精妙的结构。或许有许多类似的规律都在等待着我们的发现,前景令人振奋。
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我感觉自己是在恰当的时间出现在了恰当的地点。除了最近新加入的切斯勒,教员还包括开发了领先的人体昼夜节律数学模型的机械工程师理查德·克罗瑙尔;对松鼠猴的昼夜节律有特殊研究的生理学家马丁·摩尔艾德(Martin Moore-Ede);对生物钟的分子机制进行了35年研究的细胞生物学家伍迪·黑斯廷斯(Woody Hastings)。他们彼此之间都很友好,在医学院共同讲授一门课程,上课时,他们的研究生和博士后都会参加,都渴望获得研究机会。
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我在开课的第一天就遇到了切斯勒。他30岁出头,高个子,留着克拉克·盖博(Clark Gable,美国电影男演员)式的胡须,看上去像一名“影星”(数年后,我母亲在电视上看到他接受采访时如此说道)。更重要的是,他在完成了辉煌的博士学业后,似乎注定要成为学术明星。布莱根妇女医院将旧波士顿产科医院的整个一层给他做实验室。当他带我去参观的时候,迎接我们的是电钻的声音。建筑工人正忙着把此处装修成时间隔离设施,就像韦茨曼在蒙蒂菲奥里医院所做的那样。
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这至少要花费一年的时间,随后切斯勒才能开始新的研究。但在此期间,对于现有数据也存在很多令人费解的谜团。特别是,温弗里一直对一个基本的不对称现象喋喋不休:睡眠持续时间可以预测,但清醒时间却无法预测。即使在事后看来,也没有人可以找到一种方法来预测一名非同步的受试者持续保持清醒的时间。这意味着醒睡周期还有一半仍然是个谜。
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为了开始研究清醒时间的规律,我收集了自己所能找到的所有数据。切斯勒慷慨地分享了他在蒙蒂菲奥里的记录,外加法国的研究团队送给他的一些数据。温弗里也把曾经见过的一些数据传给了我。但大多数数据是我在翻阅科学文献,寻找内部非同步的公开实例时找到的。收集所有这些信息花了一年左右的时间。那个时代没有数字化仪器和带放大功能的复印机,所以这个过程单调而沉闷。如果找到一篇包含栅格图的期刊文献,我要先请摄影师对它进行拍照,将其放大,这样,我便可以用尺子和放大镜准确地测量所有睡眠和清醒状态的持续时间。
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最终,我建成了一个关于非同步的醒睡周期的庞大数据库,开始着手寻找其中的模式。我试着描绘了清醒时间相对于先前所有看似可能的变量的图表:先前的睡眠时长,以及醒来那一刻的体温周期的相位。不过,这些图表没有显示任何结果。后来,我寻找了清醒时间和两个先前的变量之间的关系,但仍然一无所获。如果清醒持续时间的规律是存在的,那么可以说,直至今天它仍然难以捉摸。
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在这些徒劳的追逐期间,我不断地和我的新导师理查德·克罗瑙尔会面,他满头银发,是一位有着强烈的自信和乐观主义的科学家,他总是会为我腾出时间。他同样喜爱钻研数据,这是我们二人的共同爱好。他也有一个自己喜爱的关于人类昼夜节律运行的模型。在我看来这个模型并不是很有趣,尤其是当我用自己搜集的数据和他的模型之间的差异激怒他的时候。每每这个时候他便会提高声调,与我争执得面红耳赤。我们二人都很倔强。
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克罗瑙尔最喜爱的观点之一是:昼夜节律周期中有两个特殊的时间点,在这个时间点上,人们很难入睡,他将之称为“禁区”。他拿出尺子,在栅格图上画了一些平行线,说:“看,受试者从不会在这两个时段内入睡。”我对此深表怀疑——如果你相信了它们果真如此,就很容易找到这样的模式。尽管克罗瑙尔已经意识到了人类自我欺骗的倾向,但他坚持认为,这个区域位于特殊的固定位置,每名受试者都是如此。
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无须争吵。我的数据库就可以解决这个问题。如果禁区真的存在,那么在体内非同步期间的就寝时间分布图中,它们就会显示为两个低谷。相反,如果受试者在昼夜体温周期中的任何位置入睡的概率都相等,那么分布图应该是平缓的。
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克罗瑙尔是正确的。当我绘制了睡眠起始时间的频率相对于昼夜节律相位的变化图时,两个明显的低谷出现了,各有约2~3个小时宽,中心位置分别位于最低体温时刻的5小时后和8小时前(见图3-4)。
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图3-4 入睡可能性及体温变化关系
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虽然不是严格的禁区,但是在这两个区域内入睡的概率显著降低。相应的时钟时间可以用前文提到的换算公式进行估算:最低体温大约出现于惯常睡醒时间前的1~2个小时。所以,对于每晚11点入睡,早7点起床的人来讲,数据预示着“早禁区”位于上午10~11点之间,“晚禁区”在晚上9~10点之间,即睡觉前的1~2个小时。
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分布图中还有两个峰值,代表周期中最易入睡的时间,从这个意义上讲,这是受试者经常选择的就寝时间(当然,受试者对此毫无意识,因为他们处于时间隔离的状态中)。一个宽峰的中心大致位于体温低谷处,与僵尸区重合,表明此区间内不仅警觉性最低,同时也是睡意最强烈的时间。第二个峰值出现于最低体温之后的大约9~10小时,对应的是午休时间,即外部世界的下午2~3点。这意味着,我们在此时变得困倦并非因为吃了丰盛的午餐,也不是因为户外很热,而是因为我们体内的昼夜节律起搏器控制着它。
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克罗瑙尔和我发现,在体内非同步的数据中,午睡时间与睡意最强烈的时间重合。我知道,我们不再会一无所获了。从时间隔离实验中得到的结果不能明显地说明真实世界中的情况。毕竟,两者的环境条件是完全不同的。在牵连过程中,睡眠和体温节律的相位互相锁定,并锁定在24小时的时间上;而在体内非同步期间,睡眠偏离了体温周期,且二者都运行在一个长于24小时的周期中。不过,换算公式给出了关于午睡的相位的正确预测,所以我们或许可以推断出其余的瞌睡节律。果真如此的话,这意味着我们能够找到真实世界中的两个禁区时刻。
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几个星期后,在一次睡眠研究会议上,我听到了一个关于卡车单车事故的时间分布情况的演讲,结果与我们看到的分布相同。(单车事故是指卡车弯折、翻倒、撞上桥墩,或自行转向冲入沟渠中,而不是与其他车辆相撞,或肇事司机可能正在方向盘前打瞌睡。)统计数据显示,卡车司机更可能在凌晨5点发生单车事故,其次是在下午1~4点之间,正是午睡时间。最不容易发生事故的时间是上午10点和晚上9点,对应于我们所预测的早晚禁区。原因似乎很清楚:此时司机很少打瞌睡。与僵尸区和午睡时间一样,早晚禁区也必须建立到我们的昼夜节律周期之中。
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同一时期,布拉德利医院和布朗大学医学院的睡眠研究者玛丽·卡斯卡顿(Mary Carskadon)正在采用“恒定惯例”研究受试者的脑电波。所谓恒定惯例是一种通过尽可能地扁平化受试者的行为和环境,以揭露其体温周期昼夜节律变化的方法。受试者以一个恒定的仰卧姿势(躺在床上),在室内灯光下保持清醒40小时,每小时喝一次营养饮料。虽然他们在整个时间内都应该是保持清醒的,但事实却并非如此,他们偶尔会进入一种“微睡眠”状态,即大脑会“睡着”几秒种,脑电特征发生瞬时改变。
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