象海豹在远低于海面的地方潜水时逐渐入睡

科学家们首次记录了自由放养的野生海洋哺乳动物的大脑活动，揭示了象海豹在海上度过的几个月里的睡眠习惯。

4 月 20 日发表在《科学》杂志上的新发现表明，虽然象海豹在繁殖季节每天可能会在海滩上睡 10 个小时，但在长达数月的海上觅食之旅中，它们平均每天只睡 2 个小时. 在 30 分钟的深潜中，它们一次睡大约 10 分钟，经常在熟睡时盘旋向下，有时一动不动地躺在海底。

第一作者 Jessica Kendall-Bar 作为加州大学圣克鲁斯分校的研究生领导了这项研究，与 UCSC 的生态学和进化生物学教授 Daniel Costa 和 Terrie Williams 一起工作。

“多年来，关于象海豹的核心问题之一就是它们什么时候睡觉，”科斯塔说，他是 UCSC 海洋科学研究所的负责人。Costa 的实验室领导 Año Nuevo Reserve 的 UCSC 象海豹研究项目超过 25 年，使用越来越复杂的标签来跟踪海豹在觅食迁徙过程中的运动和潜水行为，当它们进入北太平洋时作为8个月。

“潜水记录显示它们一直在潜水，所以我们认为它们在我们所说的放流潜水期间一定是在睡觉，那时它们会停止游泳并慢慢下沉，但我们真的不知道，”科斯塔说。“现在我们终于可以说它们在潜水期间肯定在睡觉，而且我们还发现，与其他哺乳动物相比，它们总体上睡得并不多。”

事实上，在海上生活的几个月里，象海豹打破了所有哺乳动物中睡眠时间最少的记录，目前由非洲象保持，根据它们的运动模式，它们似乎每天只睡两个小时。

“象海豹的不同寻常之处在于，它们在陆地上每天睡 10 多个小时，而在海上则睡两个小时或更少，”Kendall-Bar 说，他目前是一名加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所博士后研究员。

当象海豹在公海的水面时，它们最容易受到鲨鱼和虎鲸等捕食者的攻击，因此它们在两次潜水之间只在水面呼吸一两分钟。

Kendall-Bar 说：“他们能够长时间屏住呼吸，因此他们可以在安全的水面深处进入深度睡眠。”

Kendall-Bar开发了一种系统，可以可靠地记录野生象海豹在海上正常潜水行为期间的大脑活动(作为脑电图或 EEG)。使用氯丁橡胶头罩固定 EEG 传感器和小型数据记录器记录信号，当动物返回 Año Nuevo 的海滩时，系统可以恢复。

Kendall-Bar 说：“我们使用了与在睡眠诊所进行人类睡眠研究时使用的传感器相同的传感器，并使用可移动的柔性粘合剂来固定头罩，这样水就不会进入并干扰信号。”

除了 EEG 系统外，海豹还携带时间深度记录器、加速度计和其他仪器，使研究人员能够跟踪海豹的运动以及相应的大脑活动。记录显示，潜水海豹进入称为慢波睡眠的深度睡眠阶段，同时保持受控的向下滑动，然后过渡到快速眼动 (REM) 睡眠，此时睡眠麻痹导致它们倒转并向下漂移“睡眠螺旋”。

Kendall-Bar 说：“他们进入慢波睡眠并在进入 REM 睡眠之前保持身体姿势几分钟，此时他们会失去姿势控制并头朝下。”

威廉姆斯说，在这种情况发生的深度，海豹通常处于负浮力状态，并继续“像落叶一样”呈螺旋状被动下落。在大陆架上方较浅的水域，象海豹有时会在海底休息时睡觉。

“它们似乎不太可能在潜水期间真正进入麻痹性 REM 睡眠，但它告诉我们一些关于这些海豹的决策过程，以了解它们在水柱中的哪个位置感到足够安全可以入睡， ”威廉姆斯说，他是 UCSC 比较神经生理学实验室的负责人。

在开发新的 EEG 仪器时，Kendall-Bar 首先将其部署在临时安置在 UCSC 长海洋实验室海洋哺乳动物设施中的象海豹身上。下一步是将其部署在圣克鲁斯北部 Año Nuevo Reserve 象海豹栖息地的动物身上，研究人员可以在那里观察海滩上的动物。

“我花了很多时间观察沉睡的海豹，”肯德尔-巴尔说。“我们的团队监测了装有仪器的海豹，以确保它们能够重新融入群体并表现得自然。”

其中一些海豹在水中短途旅行，但为了观察潜水行为，研究人员使用了科斯塔实验室开发的易位程序。配备有 EEG 传感器和追踪器的幼年雌性象海豹从 Año Nuevo 运到蒙特雷，并在蒙特雷湾南端的海滩上放生。在接下来的几天里，这些动物将游回蒙特雷峡谷深处的新阿诺沃，在那里它们的潜水行为与在开阔海域进行更长时间觅食旅行时所见的行为非常相似。

利用 13 只幼年雌性象海豹的大脑活动和潜水行为数据，包括总共 104 次睡眠潜水，Kendall-Bar 开发了一种高度准确的算法，仅根据潜水数据来识别睡眠时间。这使她能够使用 334 只成年海豹在觅食之旅中几个月来记录的潜水数据来估算其睡眠配额。

“由于 Dan Costa 在 Año Nuevo 与象海豹合作超过 25 年的数据集，我能够将我们的结果外推到 300 多只动物，并获得人口水平的睡眠行为观察，”Kendall-Bar 说，谁现在计划使用类似的方法来研究其他海豹和海狮以及人类自由潜水员的大脑活动。

威廉姆斯称肯德尔-巴尔在该项目上的工作堪称杰作。“实现这一目标是一项了不起的壮举，”她说。“她开发了一种脑电图系统，用于研究在海中潜水数百米的动物。然后她使用这些数据创建数据驱动的动画，这样我们就可以真正想象出动物在水柱中潜水时的行为。”

威廉姆斯说，这些结果可能有助于保护工作，因为它揭示了首选休息区的“睡景”。“通常情况下，我们关心的是保护动物进食的区域，但也许它们睡觉的地方与任何其他重要栖息地一样重要，”她说。