Giấc ngủ là một trạng thái hành vi thiết yếu và cổ xưa trong quá trình tiến hóa, tuy nhiên vẫn còn nhiều câu hỏi khoa học chưa được giải đáp về cách cơ thể điều chỉnh giấc ngủ, và hiện có rất ít phương pháp điều trị hiệu quả cho các rối loạn giấc ngủ.

Để hiểu rõ cơ chế điều hòa giấc ngủ, phòng thí nghiệm Prober đang sử dụng một loài động vật thí nghiệm khác thường: cá ngựa vằn. Có một số ưu điểm khi sử dụng cá ngựa vằn làm mô hình nghiên cứu giấc ngủ, bao gồm việc não bộ của chúng đơn giản hơn não người nhưng vẫn có nhiều điểm tương đồng. Chúng cũng có chu kỳ ngủ ngày đêm nghĩa là chúng ngủ vào ban đêm và thức vào ban ngày, tương tự như con người, trái ngược với các loài động vật thí nghiệm hoạt động về đêm như chuột.

Đồng hồ sinh học là một cơ chế phân tử dao động theo nhịp điệu 24 giờ, điều chỉnh nhiều khía cạnh khác nhau của sinh lý và hành vi thông qua biểu hiện gen, tổng hợp hormone và một số kết quả khác - trong đó sản xuất melatonin là một.

Năm 2015, nhóm nghiên cứu của Prober phát hiện ra rằng cá ngựa vằn thiếu khả năng sản xuất melatonin vẫn có nhịp sinh học bình thường nhưng thiếu sự điều hòa giấc ngủ theo chu kỳ sinh học, cho thấy melatonin truyền thông tin về nhịp sinh học đến các cơ chế điều chỉnh giấc ngủ. Nói cách khác, loại bỏ melatonin sẽ loại bỏ ảnh hưởng của đồng hồ sinh học đến giấc ngủ nhưng không ảnh hưởng đến chính đồng hồ sinh học, vì vậy việc thiếu melatonin không ảnh hưởng đến các khía cạnh khác của sinh lý và hành vi được điều chỉnh bởi đồng hồ sinh học.

Dưới sự dẫn dắt của cựu nghiên cứu sinh Andrew Hill (tiến sĩ năm 2024), nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng melatonin thúc đẩy giấc ngủ bằng cách liên kết với một số thụ thể nhất định, được gọi là MT1, nằm trên bề mặt của một số tế bào não. Thông qua các thí nghiệm di truyền tỉ mỉ, Hill đã chứng minh rằng cá ngựa vằn đột biến thiếu thụ thể MT1 cũng thiếu khả năng điều hòa nhịp sinh học của giấc ngủ, tương tự như cá thiếu melatonin. Sau đó, Hill đặt mục tiêu tìm ra những tế bào thần kinh nào có thụ thể MT1 và hiểu chức năng của chúng trong não.

Hill phát hiện ra rằng các thụ thể MT1 được tìm thấy nhiều nhất ở vùng não, cụ thể là vùng thị giác, đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý thông tin cảm giác, đặc biệt là các kích thích thị giác. Nhóm nghiên cứu sau đó đưa ra giả thuyết rằng melatonin thúc đẩy giấc ngủ bằng cách giảm hoạt động của các tế bào thần kinh này, dẫn đến giảm phản ứng hành vi đối với các kích thích thị giác.

Để kiểm chứng ý tưởng này, Hill đã phân tích các nhóm cá ngựa vằn vào ban ngày khi chúng đang thức. Khi ánh sáng trong phòng thí nghiệm được làm mờ trong giây lát—mô phỏng bóng của một kẻ săn mồi đi ngang qua—cá phản ứng bằng cách di chuyển nhanh. Tuy nhiên, sau khi được điều trị bằng melatonin, cá phản ứng ít hơn nhiều với việc ánh sáng đột ngột mờ đi, ngay cả khi chúng đang thức.

Hill cũng tiến hành thử nghiệm phản ứng của cá với ánh sáng nhấp nháy vào ban đêm, loại ánh sáng mà cá thường bỏ qua. Ông phát hiện ra rằng cá ngựa vằn đột biến không sản sinh melatonin phản ứng với ánh sáng nhấp nháy vào ban đêm bằng những chuyển động nhanh tương tự như khi trời sáng và chúng đang thức. Những thí nghiệm này cho thấy melatonin không chỉ đơn thuần khiến động vật ngủ mà còn trực tiếp ức chế các phản ứng hành vi đối với các kích thích thị giác.