过去二十年，果蝇（Drosophila melanogaster）凭借其卓越的遗传可操作性，已成为睡眠研究的重要模型。然而，其睡眠传统上被视为一个单一的、整体的状态，其定义是持续至少五分钟的不活动期。最近的证据挑战了这一观点，揭示出果蝇的睡眠可能比我们先前理解的更为复杂，可以划分为不同的状态，类似于哺乳动物的快速眼动（REM）和非快速眼动（non-REM）睡眠。这篇综述旨在梳理支持果蝇多睡眠状态的现有证据，并探讨其潜在功能与未来研究方向。
果蝇具有多种睡眠状态的涌现证据
一系列研究显示，果蝇的睡眠并非一个均质过程，其行为、神经活动和生理指标都表现出阶段性变化，暗示了不同睡眠状态的存在。
睡眠期间的觉醒阈值发生变化
睡眠的一个公认标准是行为反应性降低。早期研究表明，与清醒的果蝇相比，唤醒一只休息中的果蝇需要更强烈的敲击刺激。值得注意的是，随着不活动时间的增加，果蝇的唤醒阈值并非单调上升，而是呈现出动态波动。研究表明，反应性在静止1到5分钟内开始下降，并在静止5到10分钟左右达到最低点，标志着进入深度睡眠。然而，有趣的是，在大约静止20分钟后，果蝇会再次变得更容易被唤醒，而在静止30分钟左右会出现第二个唤醒阈值升高的阶段，随后在大约45到60分钟时，反应性又恢复到类似静止不足5分钟的水平。这种唤醒阈值的动态起伏，强烈提示果蝇的睡眠结构具有周期性循环的特点，而非单一状态。
不同的微行为揭示睡眠状态
除了对刺激的反应性变化，果蝇在睡眠期间表现出的微小、短暂的动作，即“微行为”，也与不同睡眠状态相关。这些微行为包括：
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喙部伸缩：在没有食物的情况下，果蝇口器的伸展和收缩。
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触角运动：睡眠期间触角的移动。
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平衡器位置切换：位于翅膀后方、用于平衡的器官平衡器的位置变化。
研究表明，睡眠可以根据喙部伸缩的时期来划分状态，喙部伸缩频繁的时期与对振动刺激反应性降低（即更深度的睡眠）相关。同样，触角运动和平衡器下垂也倾向于在更深度的睡眠阶段更频繁地发生。这些微行为成为了区分果蝇不同睡眠状态的宝贵指标。
睡眠状态具有不同的神经和生理活动相关特征
果蝇的睡眠不仅伴随着行为改变，也伴随着大脑活动和生理指标的显著变化。
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局部场电位：研究发现，睡眠期间，果蝇大脑特定区域间的局部场电位（LFP）活动减少，尤其是在11-40 Hz的频率范围内。更长的睡眠时段（例如16-20分钟）与显著降低的LFP σ功率相关。这些脑电振荡的变化类似于哺乳动物在非快速眼动睡眠中观察到的睡眠纺锤波。
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神经钙和电压成像：使用钙指示剂GCaMP6f的研究显示，在静止的最初五分钟内，神经钙活性增加，此后活性降低，并且睡眠期间活跃神经元之间的连接性也显著降低。利用ArcLight电压指示剂的研究则揭示了中央脑椭球体R5神经元中慢波样电活动的节律性振荡，这些振荡在夜间早期达到峰值，被认为与睡眠压力有关，并能促进睡眠期间的感觉断开。
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代谢率变化：研究证实，果蝇的代谢率在睡眠期间会降低，更深的睡眠状态对应着更低的代谢率。这表明深度睡眠状态可能是一种节约能量的进化适应机制。
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基因表达差异：通过光遗传学诱导“活跃”睡眠（一种神经活动较高、反应性降低的状态，与哺乳动物REM睡眠在概念上类似但并非相同）和通过药物THIP诱导“安静”睡眠的研究发现，这两种状态涉及不重叠的转录程序。活跃睡眠与轴突导向和突触囊泡再循环相关基因的上调有关，而安静睡眠则与代谢相关基因的下调有关。
睡眠状态的功能
正如人类睡眠被认为具有多种功能，果蝇的不同睡眠状态可能也服务于不同的生理目的。研究指出：
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能量分配：睡眠期间降低的代谢率有助于节约能量。
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废物清除：睡眠期间频繁的喙部伸缩运动被认为可能促进大脑废物的清除，这为睡眠的“大脑清洁”假说提供了支持。
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记忆与可塑性：活跃睡眠状态中涉及的基因表达变化提示其可能在突触稳态和记忆中发挥作用。慢波振荡则与调节睡眠驱动和感觉输入处理有关，这对于认知功能可能很重要。
挑战与未来方向
尽管证据日益增多，但果蝇睡眠研究领域仍面临挑战，首要任务是就果蝇睡眠状态的数量和界定标准达成共识。目前的研究指出了2到4种不同的状态，其具体数量很大程度上取决于用于区分状态的标准。建立一个统一、可操作的分类体系是推进该领域的关键。
一旦睡眠状态被明确定义，下一步将是利用果蝇强大的遗传工具箱，探究调控每种睡眠状态的分子和神经机制。鉴于人类和哺乳动物的睡眠脑电模式具有高度的遗传性，我们有理由预测果蝇的睡眠状态参数同样可遗传。通过正向/反向遗传筛选、数量性状位点（QTL）定位、全基因组关联研究（GWAS）等方法，我们可以将控制不同睡眠状态特征的基因定位到基因组上。这将使我们能够深入理解每种睡眠状态的生物学意义和功能，并最终将果蝇模型中的发现拓展到包括人类在内的其他物种，从而更全面地揭示睡眠的奥秘及其在健康和疾病中的作用。
