浅睡眠对于增强大脑功能至关重要！Science | 非快速眼动睡眠通过皮层回路去同步化来改善行为表现机制

转自：生物谷

睡眠对我们的认知能力至关重要，但其背后的神经机制，尤其是与非快速眼动（nonrapid eye movement, NREM）睡眠相关的机制，仍然有许多未解之谜。在一项新的研究中，来自莱斯大学、休斯顿卫理公会神经系统修复中心和威尔康奈尔医学院的研究人员揭示了NREM睡眠如何增强神经表现和行为表现的关键机制。

相关研究结果发表在2024年11月22日的Science期刊上，论文标题为“NREM sleep improves behavioral performance by desynchronizing cortical circuits”。

莱斯大学、休斯顿卫理公会神经系统修复中心和威尔康奈尔医学院的研究人员发现，NREM睡眠，也就是我们小睡时的浅睡眠，能够显著提高大脑的信息处理能力和行为表现。这一发现不仅改变了我们对睡眠如何增强脑力的基本认识，还为开发新的神经调节疗法带来了希望。

研究人员对猕猴在30分钟的NREM睡眠前后执行视觉辨别任务时的神经活动进行了探究。他们使用多电极阵列记录了三个与视觉处理和执行功能有关的脑区——初级视觉皮层、中级视觉皮层和背外侧前额叶皮层中数千个神经元的活动。为了确保猕猴处于NREM睡眠状态，他们使用多导睡眠监测仪监测大脑和肌肉活动，并进行视频分析，确保猕猴闭着眼睛、身体放松。

研究结果表明，NREM睡眠显著改善了猕猴在视觉任务中的表现，提高了分辨旋转图像的准确性。这种改善仅出现在那些真正入睡的猕猴身上，而那些经历安静清醒但没有入睡的猕猴则没有表现出同样的性能提升。

论文第一作者、Valentin Dragoi实验室前研究员Natasha Kharas博士解释说：“在睡眠过程中，我们观察到低频δ波活动增加，不同皮层区域的神经元之间同步放电。然而，与睡眠前相比，睡眠后神经元的活动变得更加不同步，从而使神经元能够更加独立地放电。这种转变提高了信息处理的准确性和视觉任务的表现。”

为了进一步验证这一机制，研究人员通过低频电刺激来模拟睡眠对神经的影响。他们在猕猴清醒时施加了4 Hz的刺激，以模拟在NREM睡眠中观察到的δ波频率。这种人工刺激再现了睡眠后的去同步化效应，并同样提高了猕猴的任务表现。这表明特定的电刺激模式有可能用来模拟睡眠对认知的益处。

Dragoi博士说：“这一发现意义重大，因为它表明，无需实际睡眠也能实现睡眠的某些恢复和提高表现的效果。在清醒状态下重现类似睡眠的神经非同步化的能力，为在睡眠不可行的情况下提高认知和感知能力提供了新的可能性——比如对于患有睡眠障碍的人，或者在太空探索等特殊情况下。”

此外，研究人员还建立了一种大型神经网络模型来进一步研究他们的发现。他们发现，在睡眠期间，大脑中的兴奋性和抑制性连接都会变弱，但抑制性连接比兴奋性连接更弱，从而导致兴奋性增加。Dragoi博士说：“我们发现了大脑在睡眠后采用的一种令人惊讶的解决方案，即参与任务的神经元群体在睡眠后会降低其同步水平，尽管它们在睡眠期间本身就接受了同步输入。”

NREM睡眠能以这种方式有效“促进”大脑，而且这种复位可以人为模仿，这一观点为开发治疗性脑刺激技术以改善认知功能和记忆提供了潜力。Dragoi博士总结道：“我们的研究不仅加深了我们对睡眠在认知功能中的作用的机制理解，而且通过显示特定的大脑刺激模式可以代替睡眠的一些好处，开辟了新的领域，指出未来我们可能会独立于睡眠本身来促进大脑功能。”

参考资料：

Natasha Kharas et al. NREM sleep improves behavioral performance by desynchronizing cortical circuits. Science, 2024, doi:10.1126/science.adr3339.