在神秘的大脑世界里，睡眠等体内平衡过程就像精密的时钟，对大脑功能的正常运转起着关键作用。它们参与网络重构、新陈代谢、废物清除等重要活动，然而目前我们对其具体机制却知之甚少。就拿果蝇来说，虽然它的休息和睡眠行为看似简单，但其背后的神经调控机制却充满了未知。果蝇的休息和睡眠周期很短，且分布在一整天中，每次休息或睡眠的时长平均只有 20 分钟左右，这种短时长的休息和睡眠到底有什么作用，一直是困扰科学家们的难题。同时，在小鼠等动物模型中，虽然已经发现胶质细胞活动与睡眠 - 觉醒周期存在联系，但在果蝇中，胶质细胞和大多数与睡眠相关的神经元的动态变化还未得到详细描述。为了揭开这些谜团，来自德国马克斯?普朗克行为神经生物学研究所（Max Planck Institute for Neurobiology of Behavior – caesar，MPINB）的研究人员 Andres Flores-Valle、Ivan Vishniakou 和 Johannes D. Seelig 展开了深入研究 。他们的研究成果发表在《Nature Neuroscience》杂志上，为我们理解大脑的奥秘打开了新的窗口。

研究人员在研究中主要运用了以下关键技术方法：

双光子钙成像技术：通过在头部固定的果蝇中进行多日双光子钙成像，研究人员可以实时观察 EG、AL 和与睡眠相关的神经元在中枢复合体（CX）中的钙动力学变化，以此来研究它们在休息、睡眠和进食行为中的动态变化。

虚拟现实（VR）技术：让果蝇在 VR 环境中活动，模拟自然环境，使研究人员能够在更接近自然的条件下观察果蝇的行为和神经活动。

行为分类与监测：利用摄像头和 3D 卷积神经网络（3D CNN）对果蝇的行为进行分类和监测，准确判断果蝇的各种行为状态，如停止、行走、进食等。

光遗传学技术：通过表达可光激活的通道 CSChrimson，研究人员可以局部激活 AL 或 EG，进而研究它们对果蝇行为的影响。

下面我们来详细看看他们的研究结果：

短睡眠周期设定体内平衡时间尺度：研究人员通过精确追踪果蝇的运动，发现果蝇休息和睡眠周期短并非是因为轻微运动短暂打断了较长的休息周期。基于行为学研究，他们推测追踪果蝇休息或睡眠以及清醒周期的大脑信号的时间常数在几分钟到几十分钟之间。在实际研究中，他们发现即使过滤掉 2 分钟的运动时间，90% 的不动周期在白天和黑夜仍然短于 50 分钟，在持续黑暗环境中更短。这表明果蝇的短睡眠周期具有独特的时间尺度，为后续研究体内平衡机制提供了重要的基础。

EG 和 AL 显示体内平衡和昼夜节律活动：研究人员运用双光子钙成像技术，发现 EG 和 AL 在不同脑区均有明显的钙波动。通过分析，他们区分了果蝇的 “行走” 和 “停止” 两种行为状态，并对不同状态下的荧光信号进行拟合，发现其符合睡眠体内平衡的预期时间进程，且时间常数与基于行为预期的范围相符。同时，AL 的钙信号昼夜节律调制比 EG 更强，EG 的体内平衡波动比 AL 更强且比昼夜节律波动更明显。这说明 EG 和 AL 在果蝇的休息和睡眠调控中发挥着重要作用，且它们的活动具有明显的昼夜节律和体内平衡调节特征。

果蝇在成像过程中表现出睡眠的基本特征：研究人员通过实验验证，长时间成像实验中果蝇较长时间的不动状态对应睡眠状态。他们使用红外激光探测果蝇的觉醒阈值，发现不动时间越长，唤醒果蝇所需的激光功率越高，这表明觉醒阈值随着不动时间的增加而增加，符合睡眠的特征。此外，他们还通过机器学习分类行为，检测到果蝇在休息或睡眠开始时，吻伸展（proboscis extension）行为更频繁，且频率与自由移动果蝇相似。这些结果表明，在成像过程中果蝇的睡眠相关行为特征得以保留，为研究大脑睡眠控制机制提供了有力的证据。

EG 整合行为努力并显示快速钙尖峰：研究人员发现，EG 的钙活动不仅在行走时增加，在其他费力行为中也会增加，这表明 EG 可以整合行为努力。同时，他们通过实验证明，休息或睡眠是导致进食后 EG 钙水平下降的原因，而不是进食本身。在研究 EG 从不动到行走的转变时，他们发现 EG 钙活动在行走开始时会出现快速峰值，且峰值幅度与不动时间呈线性关系。这说明 EG 在行为转换过程中起着重要的作用，其钙动力学变化与行为努力和行为转换密切相关。

睡眠剥夺使 EG 活动饱和：研究人员通过机械刺激和食物剥夺两种方式诱导果蝇睡眠剥夺，发现 EG 的钙活动在睡眠剥夺 2 小时内达到饱和并趋于平稳。在终止睡眠剥夺后，果蝇活动减少，EG 活动恢复到较低水平，且出现了预期的反弹睡眠。这表明 EG 在睡眠剥夺过程中表现出典型的睡眠体内平衡特征，进一步证明了 EG 在睡眠调控中的重要作用。

体内平衡模型描述胶质细胞钙活动：研究人员使用一个包含两个时间常数的微分方程模型来拟合 EG 钙活动，该模型可以很好地描述 EG 活动随时间的变化。他们发现，不同行为对睡眠需求的贡献不同，一个包含七种不同行为的指数体内平衡模型可以更好地拟合数据。通过分析，他们还发现基于 EG 钙速度可以区分两种不同状态，大致对应休息和睡眠。这说明可以通过模型来有效描述胶质细胞的钙活动，为深入理解睡眠调控机制提供了有力的工具。

EG 体内平衡不跟随睡眠相关神经元：研究人员通过记录 R5 神经元和 dFB 神经元的钙活动，并与 EG 的钙活动进行比较，发现 EG 的活动不能简单地反映潜在脑区中体内平衡神经元回路的活动。EG 比 R5 或 dFB 神经元活动更能代表自然发生的睡眠和清醒周期的睡眠体内平衡。这表明 EG 在睡眠调控中具有独特的作用，其调控机制与传统认知中的睡眠相关神经元有所不同。

dFB 神经元编码饥饿和行走：研究人员发现 dFB 神经元的活动与行走速度相关，且在进食后迅速重置。通过进一步分析，他们发现 dFB 神经元可以编码饥饿，其活动受到饥饿和进食的调制。他们还拟合了 dFB 神经元的荧光活动，建立了 “饥饿 - 行走” 模型，更好地描述了其活动变化。这表明 dFB 神经元在果蝇的进食行为调控中起着重要作用，其活动与饥饿和行走状态密切相关。

胶质细胞检测CO2?浓度变化：研究人员发现胶质细胞环绕气管，且气管与胶质细胞的空间位置关系密切。基于此，他们推测胶质细胞的钙动力学可能与代谢气体如CO2?有关。实验结果表明，CO2?暴露会导致 EG 和 AL 的钙水平发生变化，而神经元则没有这种反应。这说明胶质细胞能够检测CO2?浓度变化，并通过钙动力学变化来响应，揭示了胶质细胞在代谢气体调节中的重要作用。

光遗传学激活 AL 和 EG 诱导不动和吻伸展：研究人员通过光遗传学激活 AL 或 EG，发现局部激活可以诱导果蝇不动和吻伸展行为。这表明胶质细胞不仅可以感知行为，还可以控制行为，为理解胶质细胞在行为调控中的作用提供了直接证据。

钙动力学的控制器模型：研究人员建立了一个包含神经元和胶质细胞两个隔室的模型，用于描述观察到的钙和 pH 动力学变化。该模型假设胶质细胞检测神经元的 pH 变化，并通过钙依赖机制维持 pH 在生理设定点。模型模拟结果与实验数据相符，解释了CO2?暴露和光遗传学刺激下的钙和 pH 动态变化。这为深入理解胶质细胞在维持大脑内环境稳定中的作用提供了理论框架。

研究结论和讨论部分表明，该研究成功地将果蝇的休息和睡眠体内平衡与代谢联系起来，揭示了 EG 和 AL 在调控果蝇短时间活动周期中的重要作用。它们作为体内平衡控制器，通过调节神经回路，可能在全球范围内控制行为。然而，研究也存在一些局限性，例如局部光遗传学激活可能无法完全复制行为活动引起的钙活动变化，且在实验中达到 EG 或 AL 钙体内平衡阈值时，并未立即触发睡眠或觉醒。未来，利用不同的行为范式，如学习范式，进一步探究休息和睡眠对大脑的不同作用，将有助于我们更深入地理解大脑的奥秘。这项研究为神经科学领域关于睡眠和代谢的研究开辟了新的方向，为后续研究提供了重要的理论基础和实验依据。