科学家首次记录了一种自由放养的野生海洋哺乳动物的大脑活动，揭示了海象在海上度过的几个月里的睡眠习惯。
发表在《科学》杂志上的这项新发现表明，虽然海象在繁殖季节可能每天在海滩上睡10个小时，但当它们在海上进行长达数月的觅食旅行时，它们平均每天只睡2个小时。在30分钟的深度潜水中，它们每次大约睡10分钟，经常在熟睡中盘旋而下，有时一动不动地躺在海底。
作为加州大学圣克鲁斯分校的研究生，第一作者杰西卡·肯德尔·巴领导了这项研究，她与加州大学圣克鲁兹分校的生态学和进化生物学教授丹尼尔·科斯塔和特里·威廉姆斯合作。
“多年来，关于海象的一个核心问题是它们什么时候睡觉，”科斯塔说，他是加州大学圣迭戈分校海洋科学研究所的主任。科斯塔的实验室在A?o Nuevo保护区领导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期间的运动和潜水行为，当它们前往北太平洋长达8个月的时候。
科斯塔说:“潜水记录显示它们一直在潜水，所以我们认为它们一定是在我们所谓的漂流潜水期间睡觉，当它们停止游泳并慢慢下沉时，但我们真的不知道。”“现在我们终于可以说，它们在潜水期间肯定是在睡觉，我们还发现，与其他哺乳动物相比，它们的睡眠时间并不多。”
事实上，在海上的几个月里，海象与所有哺乳动物中睡眠最少的记录相媲美，目前由非洲象保持，根据它们的运动模式，非洲象似乎每天只睡两个小时。
目前在加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所担任博士后的肯德尔-巴尔说:“海象很不寻常，它们在陆地上每天睡10个多小时，而在海上睡两个小时或更少。”
当海象在开阔的海面上时，它们最容易受到鲨鱼和虎鲸等捕食者的攻击，所以它们在潜水之间只在海面上呼吸一两分钟。
肯德尔-巴尔说:“它们能够长时间屏住呼吸，所以它们可以在安全的水下深度沉睡。”
肯德尔-巴尔开发了一种系统，可以可靠地记录野生海象在海上正常潜水时的大脑活动(作为脑电图或EEG)。该系统有一个固定脑电图传感器的橡胶头帽和一个记录信号的小型数据记录器，当动物回到A?o Nuevo海滩时，系统可以恢复。
肯德尔-巴尔说:“我们使用的传感器与睡眠诊所中用于人类睡眠研究的传感器相同，并使用可拆卸的柔性粘合剂连接头套，这样水就不会进入并干扰信号。”
除了脑电图系统，海豹还携带了时间深度记录仪、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。录音显示，潜水海豹进入深度睡眠阶段，即慢波睡眠，同时保持有控制的下降，然后过渡到快速眼动(REM)睡眠，此时睡眠麻痹使它们上下颠倒，以“睡眠螺旋”向下漂移。
肯德尔-巴尔说:“他们进入慢波睡眠，保持身体姿势几分钟，然后进入快速眼动睡眠，这时他们失去了对姿势的控制，身体上下颠倒。”
威廉姆斯说，在这种情况发生的深度，海豹通常是负浮力的，并继续被动地以螺旋形下降，“就像落叶一样”。在大陆架上较浅的水域，海象有时会在海底休息时睡觉。
“它们似乎不可能在潜水时真正进入麻痹性快速眼动睡眠，但它告诉我们一些关于这些海豹的决策过程，看看它们在水层的哪个地方感到足够安全，可以睡觉，”威廉姆斯说，他是UCSC比较神经生理学实验室的主任。
在开发新的脑电图仪器时，肯德尔-巴首先将其部署在加州大学圣迭戈分校海洋哺乳动物实验室临时安置的海象身上。下一步是将其部署在圣克鲁斯北部A?o新保护区象海豹群的动物身上，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熟睡的海豹，”肯德尔-巴尔说。“我们的团队对仪器海豹进行了监测，以确保它们能够重新融入群落，并表现得很自然。”
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。装有脑电图传感器和追踪器的幼年雌象海豹被从A?o Nuevo运到蒙特利，并在蒙特利湾南端的海滩上放生。在接下来的几天里，这些动物会游回A?o Nuevo，穿过蒙特利峡谷深处，在那里它们的潜水行为与在开阔的海洋中看到的更长时间的觅食旅行非常相似。
根据13只幼年雌性象海豹的大脑活动和潜水行为数据，包括104次睡眠潜水，肯德尔-巴开发了一种高度精确的算法，仅根据潜水数据就能识别睡眠时间。这使她能够利用几个月来在觅食途中记录的潜水数据来估计334只成年海豹的睡眠配额。
肯德尔-巴尔说:“由于丹·科斯塔在A?o Nuevo与海象一起工作了25年多的数据集，我能够将我们的结果推断到300多只动物身上，并从种群层面上观察睡眠行为。”肯德尔-巴尔现在计划用类似的方法研究其他种类的海豹、海狮和人类自由潜水者的大脑活动。
威廉姆斯称肯德尔-巴在这个项目上的工作是力作。“这是一项了不起的壮举，”她说。“她开发了一种脑电图系统，用于研究在海洋中潜水数百米的动物。然后她使用这些数据来创建数据驱动的动画，这样我们就可以真正地看到动物在潜水时在做什么。”
威廉姆斯说，研究结果可能有助于保护工作，因为它揭示了人们喜欢的休息区域的“睡眠景观”。“通常情况下，我们关心的是保护动物觅食的地方，但也许它们睡觉的地方与其他任何重要栖息地一样重要，”她说。
