1

خواب یکی از رازهای ماندگار زیست‌شناسی است. خواب در بیشتر گروه‌های جانوری از جمله عروس‌های دریایی، حشرات، پرندگان و پستانداران دیده می‌شود و با کاهش حرکت، آرامش عضلانی و نیاز بیشتر به جبران خواب ازدست‌رفته همراه است.

با وجود این شیوع گسترده، دانشمندان هنوز به‌طور کامل نمی‌دانند چگونه ریتم‌های خواب کنترل می‌شوند.

تحقیقات جدید در مؤسسه تحقیقات مغزی ماکس پلانک، در منبعی غیرمنتظره، یعنی اژدهای سوسماری استرالیایی (Pogona vitticeps)، به روشن شدن این مکانیسم‌ها کمک کرده است.

یافته‌های منتشرشده در مجله Nature نشان می‌دهد که خواب در خزندگان می‌تواند ریشه‌های کهنی با پستانداران و پرندگان داشته باشد و می‌تواند به کشف تاریخچه تکاملی خواب کمک کند.

حالت‌های خواب در اژدهای استرالیایی

در انسان و بسیاری از حیوانات، خواب به دو حالت اصلی تقسیم می‌شود: خواب با امواج آهسته (SWS) و خواب با حرکت سریع چشم (REMS).

خواب با امواج آهسته که با فعالیت کند مغز مشخص می‌شود، معمولاً آغازگر چرخه‌های خواب است و پس از آن خواب با حرکت سریع چشم که فعالیت مغز در آن شبیه بیداری است و شامل حرکات سریع چشم و انقباضات عضلانی است، رخ می‌دهد.

این تناوب حالت‌های خواب به ریتم اولترا‌دیان معروف است که در گونه‌های مختلف متفاوت است. برای مثال، در انسان یک چرخه کامل SWS-REMS حدود 1 تا 1.5 ساعت طول می‌کشد، در حالی که در اژدهای استرالیایی، هر چرخه تنها یک دقیقه زمان می‌برد.

هشت سال پیش، پژوهشگران ماکس پلانک به رهبری گیل لوران، خواب مشابه REMS را در اژدهای سوسماری استرالیایی کشف کردند.

این کشف نشان داد که REMS می‌تواند ویژگی کهنی باشد که بین همه آمینوت‌ها – گروهی شامل خزندگان، پرندگان و پستانداران – مشترک بوده و به حدود 320 میلیون سال پیش بازمی‌گردد.

تیم پژوهشی شامل لورنز فنک و لوئیس ریکلمی، به بررسی علت سرعت بالای چرخه ریتم اولترادیان در خزندگان و عوامل محرک این حالت‌های متناوب پرداختند.

مولد الگوی مرکزی

برای بررسی بیشتر، تیم به دنبال نشانه‌هایی از مولد الگوی مرکزی (CPG) بود، که یک مدار عصبی تولیدکننده خروجی‌های حرکتی ریتمیک مانند راه رفتن یا تنفس است. CPGها در کنترل حرکت شناخته‌شده هستند، اما نقش بالقوه آنها در تنظیم خواب تازگی داشت.

لوران توضیح داد: «ایده وجود CPG برای خواب کاملاً خلاف انتظار بود زیرا CPGها خروجی‌های حرکتی را کنترل می‌کنند، در حالی که خواب با نبود فعالیت حرکتی مشخص می‌شود».

برای آزمایش این فرضیه، پژوهشگران از نشانه‌های خارجی، مانند انفجارهای کوتاه نوری، برای مشاهده توانایی تنظیم چرخه‌های خواب مارمولک‌ها استفاده کردند – پدیده‌ای که به تنظیم مجدد فاز معروف است.

تیم دریافت که پالس‌های کوتاه نور به چشمان بسته مارمولک‌ها چرخه REMS-SWS آنها را بازنشانی می‌کند، که نشان‌دهنده تأثیر مکانیسمی شبیه CPG در تنظیم این حالت‌های خواب است.

استقلال نسبی در ریتم‌های خواب

کشف دیگری نشان داد که ریتم‌های خواب مارمولک‌ها حتی در حالت بیداری قابل تغییر است. این امر نشان می‌دهد که مدارهای محرک خواب و گذار بین SWS و REMS می‌توانند به‌صورت مستقل عمل کنند.

فنک گفت: «این مهم است زیرا نشان می‌دهد که خواب و تناوب بین SWS و REMS حداقل به‌طور نسبی مستقل هستند».

افزون بر این، پژوهش نشان داد که هرچند تناوب SWS و REMS در هر دو طرف مغز رخ می‌دهد، تنها یکی از طرف‌ها می‌تواند مختل شود و با دیگری هماهنگی خود را از دست بدهد.

پس از اختلال یک‌جانبه، دو نیمکره به‌سرعت دوباره هماهنگ می‌شوند و نشان‌دهنده وجود دو CPG متصل به هم، یکی برای هر طرف مغز است.

درک تکامل خواب

یافته‌ها سؤالات جالبی درباره تکامل و انعطاف‌پذیری تنظیم خواب در گونه‌های مختلف ایجاد می‌کنند.

به گفته دانشمندان، این یافته‌ها هیجان‌انگیز هستند زیرا مدارهای عصبی معمولاً مرتبط با فعالیت حرکتی را به تنظیم حالت‌های خواب مرتبط می‌کنند، در حالی که بدن در حال استراحت است.

وجود مکانیسمی شبیه CPG در خواب مارمولک‌ها نشان می‌دهد که این مدارها ممکن است در سایر مهره‌داران مانند پرندگان و پستانداران نیز وجود داشته باشند.

این می‌تواند نشان‌دهنده آن باشد که خواب ریشه‌های تکاملی عمیق‌تری نسبت به آنچه پیش‌تر تصور می‌شد دارد، و احتمالاً به نخستین آمینوت‌ها بازمی‌گردد.

تحقیقات تیم حتی ممکن است به یکی از اساسی‌ترین سؤالات زیست‌شناسی پاسخ دهد: چرا خواب در ابتدا تکامل یافته است.

عملکردهای ترمیمی استراحت

این مطالعه سؤالات مهمی برای پژوهش‌های آینده مطرح می‌کند. آیا مکانیزم مشابه CPG در پستانداران یا پرندگان وجود دارد؟ اگر چنین است، این مکانیسم چگونه می‌تواند مدت‌های مختلف چرخه خواب را در این گروه‌ها توضیح دهد؟

و در مورد حیواناتی با نیازهای خواب بسیار متفاوت، مانند دلفین‌ها که می‌توانند با یک نیمکره مغز به خواب روند، چه می‌توان گفت؟

درک نقش دقیق این مدارها در تنظیم خواب ممکن است سرنخ‌هایی درباره هدف خواب ارائه دهد.

در حالی که پژوهشگران به درکی از عملکردهای ترمیمی خواب رسیده‌اند، مزایای دقیق آن همچنان ناشناخته است. مطالعه نحوه کنترل و تجربه خواب در گونه‌های مختلف می‌تواند به روشن شدن دلیل ماندگاری خواب در پادشاهی حیوانات کمک کند، حتی با وجود تفاوت‌های زیاد در شکل و مدت آن.

مطالعه خواب در اژدهای استرالیایی

نتایج این مطالعه می‌تواند نحوه برخورد دانشمندان با مطالعه خواب را تغییر دهد. CPGها که قبلاً تصور می‌شد تنها محدود به کنترل اعمال فیزیکی هستند، اکنون ممکن است در درک فرآیندهای شناختی و فیزیولوژیکی که هنگام استراحت بدن رخ می‌دهد، مرکزی باشند.

فنک گفت: «این کشف نشان می‌دهد که خواب و ریتم‌های پیچیده زیستی دیگر ممکن است توسط مدارهای عصبی که معمولاً با حرکت در ارتباط هستند، تنظیم شوند».

این یافته‌ها زمینه‌ساز تحقیقات جدید درباره نقش CPGها در خواب است و می‌تواند درک ما از خواب در گروه‌های مختلف حیوانی را تغییر دهد.

در حال حاضر، کار تیم ماکس پلانک نگاهی هیجان‌انگیز به ریشه‌های تکاملی خواب ارائه می‌دهد و نشان می‌دهد که حتی در حالت استراحت، مغز به‌شکل قابل‌توجهی فعال است و توسط ریتم‌هایی کنترل می‌شود که ممکن است میلیون‌ها سال قدمت داشته باشند.

همان‌طور که پژوهشگران به کشف رمز و رازهای خواب ادامه می‌دهند، مطالعه اژدهای سوسماری استرالیایی سرنخی ارزشمند از پیچیدگی‌هایی که در این عمل ظاهراً ساده وجود دارد، ارائه می‌کند.