“中午不睡，下午崩潰”。
對很多人來說，午睡是下午保持工作精力的必要條件。研究表明，短時間的睡眠對認知和行為表現(xiàn)方面具有積極影響。與不休息的受試者相比，在白天經(jīng)歷短暫睡眠的人，表現(xiàn)出更好的學(xué)習(xí)、記憶和感知表現(xiàn)。
然而，盡管睡眠有利于提高認知能力和行為表現(xiàn)的觀點已經(jīng)存在了一個世紀，但科學(xué)家們對其潛在的神經(jīng)機制仍然知之甚少。
2024年11月30日，美國威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院 Valentin Dragoi 教授團隊在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(fā)表了題為：NREM sleep improves behavioral performance by desynchronizing cortical circuits 的研究論文。
該研究通過同時記錄大腦多個區(qū)域的單個神經(jīng)元活動，發(fā)現(xiàn)僅30分鐘的短期睡眠就足以顯著改變大腦的認知功能和行為，進而揭示了睡眠增強神經(jīng)元和行為表現(xiàn)的關(guān)鍵機制，這一發(fā)現(xiàn)可能顛覆我們對睡眠如何提高腦力的基本理解，也為開發(fā)睡眠障礙的創(chuàng)新療法甚至是提高認知和行為表現(xiàn)的方法鋪平了道路。
這項研究不僅加深了我們對睡眠在認知功能中作用的機制理解，而且開辟了新領(lǐng)域，表明了特定的大腦刺激模式可以替代睡眠的一些益處，為我們在未來獨立于睡眠本身增強大腦功能指明了方向。
非快速眼動睡眠（NREM）對于人和動物在清醒時的運動和感覺學(xué)習(xí)經(jīng)歷的記憶鞏固至關(guān)重要。在NREM期間，0.5-4HZ的同步振蕩（慢波活動，SWA）遍及大腦皮層區(qū)域，這表明NREM中的跨區(qū)域內(nèi)部信息交互在記憶鞏固中發(fā)揮著重要作用。
值得注意的是，在人體種的相關(guān)研究主要關(guān)注睡眠期間大腦整體活動的變化，并依賴于非侵入性方法，例如腦電圖（EEG）或功能性磁共振成像（fMRI）。這些方法缺乏在單個神經(jīng)元或網(wǎng)絡(luò)水平上檢查變化所需的空間和時間分辨率。與之相反，小型哺乳動物（例如小鼠）的電生理記錄主要集中在睡眠后記憶的選擇性再激活上，但睡眠改善行為表現(xiàn)的神經(jīng)機制很少被直接研究。
在這項最新研究中，研究團隊通過多電極陣列在獼猴的大腦皮層的V1和V4視覺區(qū)和背外側(cè)前額葉皮層（dlPFC）中記錄了4422個神經(jīng)元的活動，以此研究這些獼猴在睡眠前/中/后期的神經(jīng)元群的動態(tài)和信息編碼，并觀察它們在進行視覺識別任務(wù)的表現(xiàn)。
短期睡眠可以改善行為表現(xiàn)
研究團隊重點關(guān)注了短期睡眠（僅休息30分鐘）對非人靈長類動物模型在行為和認知能力上的影響。在每次試驗中，猴子在30分鐘的短期睡眠前后執(zhí)行相同的圖像方向辨別任務(wù)。對照試驗設(shè)置為猴子在黑暗環(huán)境中安靜地坐了30分鐘而沒有入睡。
研究團隊發(fā)現(xiàn)，短期睡眠可以顯著地鞏固學(xué)習(xí)記憶，改善行為和認知表現(xiàn)。尤其是在困難的視覺識別任務(wù)中，與不睡覺時相比，獼猴在經(jīng)歷短期睡眠后，辨別能力顯著提高。此外，多導(dǎo)睡眠圖（PSG，也成為睡眠腦電圖）分析顯示，在30分鐘的睡眠期間，δ波（0.5-4Hz）局部場電位（LFP）活動增加，這被記錄為NREM睡眠階段1和2。
睡眠通過去同步神經(jīng)元群的活動來提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準確性
值得注意的是，盡管睡眠誘導(dǎo)皮層區(qū)域的群體活動同步波動，但相對于睡眠前的狀態(tài)，睡眠后的群體活動變得更加不同步。睡眠后的變化與每個皮層區(qū)域中編碼的信息量增加及行為表現(xiàn)改善之間存在相關(guān)性。有趣的是，在視覺皮層中進行4Hz的低頻電刺激可以模擬睡眠對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、行為和認知功能的有益影響。
4Hz的低頻電刺激可以模擬睡眠對大腦的有益影響
不僅如此，研究團隊還構(gòu)建了一個視覺皮層的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型由1008個興奮性和252個抑制性整合及發(fā)射神經(jīng)元組成。這一大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型表明，局部大腦皮層內(nèi)突觸的不對稱抑制與觀察到的短期睡眠前后的神經(jīng)活動變化相一致。
這一發(fā)現(xiàn)推翻了此前提出的睡眠有助于神經(jīng)修復(fù)的觀點。此前的觀點認為，神經(jīng)系統(tǒng)在清醒時積累的代謝產(chǎn)物會在睡眠期間被加速清除，因此大腦在睡眠后的認知和記憶功能得到改善。然而，這項新研究表明，即使是短暫的睡眠就足以顯著改善大腦的行為表現(xiàn)。此外，小鼠的影像學(xué)研究表明，20-30分鐘的短期睡眠后代謝產(chǎn)物的清除率可以忽略不計，因此這種機制不太可能解釋睡眠的恢復(fù)功能。
循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建
總的來說，這項發(fā)表于 Science 的研究表明，睡眠通過增加皮質(zhì)內(nèi)突觸的凈興奮效應(yīng)來改善神經(jīng)元和行為表現(xiàn)，而僅30分鐘的短期睡眠就可以為大腦的認知和記憶功能帶來顯著的改善效應(yīng)。此外，低頻電刺激可以模擬睡眠對大腦的有益影響，這一發(fā)現(xiàn)為侵入性刺激程序提供了概念驗證，可以在沒有睡眠的情況下的改善認知能力，并可能為人類未來的神經(jīng)調(diào)控奠定基礎(chǔ)。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr3339
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