Science|研究表明午睡的好处：非快速眼动睡眠通过大脑同步提高认知能力

众所周知，睡眠可以增强认知能力，但其潜在的神经机制，尤其是与非快速眼动睡眠（NREM）相关的神经机制，在很大程度上仍未被探索。

　　

短时间的睡眠对涉及多种感官模式的各种任务的认知和行为表现均有好处。与不休息的受试者相比，经历短暂白天小睡——通常与非快速眼动（NREM）睡眠阶段1和2相关联——的人，往往有更好的学习、记忆和感知表现。然而，睡眠增强认知能力背后潜在的神经机制，尤其是与非快速眼动睡眠（NREM）相关的神经机制，在很大程度上仍未知。一项由莱斯大学、休斯顿卫理公会神经系统恢复中心和威尔康奈尔医学院的研究人员组成的新研究，在莱斯大学的Valentin Dragoi的协调下，揭示了睡眠增强神经元和行为表现的关键机制，有可能改变我们对睡眠如何增强脑力的基本理解。

这项发表在《Science》杂志上的研究揭示了非快速眼动睡眠—— 例如一个人在白天小睡时经历的浅睡眠——是如何促进大脑同步，增强信息编码，为这一睡眠阶段提供新的线索。研究人员通过侵入性刺激复制了这些效果，这表明未来人类神经调节疗法的可能性很大。这一发现的意义可能为睡眠障碍的创新治疗铺平道路，甚至为提高认知和行为表现的方法铺平道路。

过往人类睡眠研究主要关注睡眠期间大脑整体活动的变化，依赖于非侵入性方法[例如，脑电图（EEG）或功能性磁共振成像]，这些方法缺乏在单个神经元或网络水平上检查变化所需的空间和时间分辨率。而小型哺乳动物的电生理记录主要集中在睡眠后记忆的选择性再激活，但很少有对睡眠改善行为表现的神经机制的直接研究。这项研究正好以此切入，对猕猴在经历30分钟的非快速眼动睡眠的前、后分别进行视觉辨别任务时三个与执行任务相关的大脑区域的神经活动进行了检查。研究人员利用多电极阵列记录了猕猴大脑中三个活动区域——视觉皮层V1和V4以及与视觉处理和执行功能相关的背外侧前额叶皮层（dlPFC）——的数千个神经元的活动：以研究睡眠前、睡眠中和睡眠后神经群的动态和信息编码及其对行为表现的影响。

重点研究短期睡眠（30分钟的休息）对非人灵长类动物模型的影响，而非一个完整周期的睡眠，是因为(i)短暂的小睡或休息时间已被证明可以巩固记忆，改善行为和感知表现；（ii）多导睡眠图（PSG）分析显示，在30分钟的睡眠期间，δ（0.5至4 Hz）局部场电位（LFP）活动增加，这被记为NREM睡眠阶段1和2；（iii）鉴于实验是在头部固定和身体受限的条件下进行的，训练猴子休息30分钟比诱导更长时间的睡眠更容易。为了确认猕猴处于非快速眼动睡眠状态，研究人员使用多导睡眠仪来监测它们的大脑和肌肉活动，同时进行视频分析，以确保它们闭上眼睛，身体放松。研究结果表明，睡眠改善了动物在视觉任务中的表现，提高了识别旋转图像的准确性。重要的是，这种改善只适用于那些真正睡着的人。经历过安静清醒而不入睡的猕猴没有表现出同样的表现提升。

研究发现，尽管睡眠诱导了皮层区域内的群体活动同步波动，但相对于睡眠前的状态，睡眠后的皮层内群体活动变得更加不同步。因此，睡眠诱导了一个自我平衡稳态过程——睡眠期间群体同步性的增加，随后是放电率的增加和活动同步的减少。这可能是一种机制，大脑在“扰动”（睡眠期间的同步神经反应）被消除后保持群体活动的稳定性。睡眠后的变化与每个区域的群体活动中编码的信息增加和行为表现的改善相关。以4赫兹低频电刺激视觉皮层可模拟睡眠对神经网络和知觉表现的有益影响。

大规模神经网络建模表明，睡眠通过增加局部皮质内突触的净兴奋效应来改善神经元和行为表现。局部皮质内模型突触传导的不对称抑制/减少导致神经元反应和群体活动的变化，类似于睡眠后在任务中观察到的实验结果。平均而言，抑制性突触比兴奋性突触受到更大程度的抑制，这与突触后靶点的净兴奋效应一致，有助于增加神经元的放电率，减少群体活动的同步波动，减少相关变异性。

作者说

“在睡眠期间，我们观察到低频δ波活动的增加，以及不同皮层区域神经元之间的同步放电，”第一作者娜塔莎·哈拉斯（Natasha Kharas）博士说，她是德拉戈伊实验室的前研究员，现任威尔康奈尔大学神经外科住院医生。然而，在睡眠后，神经元的活动与睡前相比变得更加不同步，从而使神经元更加独立地放电。这种转变提高了信息处理的准确性和视觉任务的表现。”

研究人员还通过低频电刺激视觉皮层来模拟睡眠对神经的影响。他们应用了一个4赫兹的刺激来模拟在动物醒着的非快速眼动睡眠期间观察到的δ频率。这种人工刺激再现了睡眠后看到的去同步效应，并同样增强了动物的任务表现，这表明特定的电刺激模式可能被用来模拟睡眠的认知益处。

莱斯大学的Valentin Dragoi说：“这一发现意义重大，因为它表明，睡眠的一些恢复和提高性能的效果可能在不需要真正的睡眠的情况下实现。”德拉戈伊（Dragoi）是研究的合著者，莱斯大学电子和计算机工程教授，威尔康奈尔大学神经科学教授。“在清醒状态下重现类似睡眠的神经去同步的能力，为在睡眠不可行的情况下增强认知和感知表现开辟了新的可能性。比如有睡眠障碍的人，或者在太空探索等情有可原本的情况下。”

研究人员通过建立一个大型神经网络模型进一步研究了他们的发现。他们发现，在睡眠期间，大脑中的兴奋性连接和抑制性连接都减弱了，但它们的减弱是不对称的，使抑制性连接弱于兴奋性连接，从而导致兴奋性增加。“我们发现了一个令人惊讶的解决方案，即大脑在睡眠后采用的方法，即参与任务的神经群在睡眠后降低了它们的同步水平，尽管在睡眠期间本身接收到了同步输入。”

非快速眼动睡眠以这种方式有效地“促进”大脑，并且这种重置可以人为地模仿，这一想法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。“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，指出了我们可能独立于睡眠本身提高大脑功能的未来。”