重新定义半睡半醒！清醒时大脑部分区域可能也在睡觉

新的研究发现，睡眠可以通过短暂的、毫秒级的大脑活动来检测，这突出表明，单个大脑区域可以在睡眠和清醒状态之间独立切换，这可能会影响对神经系统疾病的理解。

　　

这项研究广泛地揭示了以前被忽视的脑电波是如何快速地建立起睡眠和清醒的基本模式的。

科学家们开发了一种新方法，通过检测超快的神经元活动模式来分析睡眠和清醒状态，这种模式只有几毫秒长，挑战了基于较慢脑电波的传统理解。这项研究还发现，单个大脑区域可以在睡眠和清醒之间短暂地独立转换，揭示了复杂的局部大脑活动，可能会重塑我们对睡眠机制的理解。

睡眠和清醒:它们是完全不同的存在状态，定义了我们日常生活的界限。多年来，科学家们通过观察脑电波来测量这些本能的大脑过程之间的差异，睡眠的特点是缓慢而持久的脑电波，以十分之一秒的速度传遍整个器官。

科学家们首次发现，睡眠可以通过几毫秒长的神经元活动模式来检测，比一秒短1000倍，这揭示了一种研究和理解控制意识的基本脑电波模式的新方法。他们还表明，当大脑的其他部分保持睡眠状态时，大脑的一小部分区域可以暂时“闪烁”醒来，反之亦然。

这些发现发表在《Nature Neuroscience》杂志上的一项新研究中，来自圣路易斯华盛顿大学生物学助理教授Keith Hengen和加州大学圣克鲁斯分校生物分子工程杰出教授David Haussler的实验室合作。主要作者是David Parks (UCSC)和Aidan Schneider (WashU)。

在四年的工作中，Parks 和Aidan 训练了一个神经网络来研究大量脑电波数据中的模式，揭示了以前从未被描述过的极高频率的模式，并挑战了长期以来关于睡眠和清醒的神经学基础的基本概念。

“有了强大的工具和新的计算方法，通过挑战我们最基本的假设和重新审视‘什么是状态?’”Hengen说。“睡觉或醒来是你行为的唯一最大决定因素，然后其他一切都由此而生。所以，如果我们不了解睡眠和清醒到底是什么，我们似乎就错过了机会。”

Haussler打趣道:“作为科学家，我们惊讶地发现，当大脑的其他部分清醒时，我们大脑的不同部分实际上会小睡一下，尽管许多人可能已经怀疑他们的配偶也有这种情况，所以也许没有男女偏见才是令人惊讶的。”

了解睡眠

神经科学家通过记录大脑活动的电信号(即电生理学数据)来研究大脑，观察电压波以不同的速度达到峰值和下降。混合在这些波中的是单个神经元的脉冲模式。

研究人员使用了圣路易斯Hengen实验室鼠的数据。这些行为自由的动物被配备了一个非常轻的头戴式耳机，可以连续几个月记录10个不同大脑区域的大脑活动，以微秒级的精度跟踪小组神经元的电压。

这么多的输入产生了拍字节的数据——比千兆字节大100万倍。David Parks负责将这些原始数据输入人工神经网络，该网络可以发现高度复杂的模式，以区分睡眠和清醒数据，并发现人类观察可能遗漏的模式。与位于加州大学圣地亚哥分校的共享学术计算基础设施的合作使该团队能够处理如此多的数据，其规模相当于谷歌或Facebook等大公司可能使用的数据。

知道睡眠通常是由慢波定义的，Parks开始将越来越小的数据块输入神经网络，并要求它预测大脑是睡着还是醒着。

他们发现，该模型可以从几毫秒的大脑活动数据中区分睡眠和清醒。这让研究小组感到震惊——这表明该模型不可能依靠缓慢移动的波来学习睡眠和清醒之间的区别。就像听一千分之一秒的歌曲不能告诉你它是否有慢节奏一样，模型不可能通过随机观察孤立的毫秒信息来学习几秒钟内发生的节奏。

Haussler说:“我们看到的信息细节程度是前所未有的。以前的感觉是，那里什么也找不到，所有相关的信息都在较慢的频率波中。这篇论文说，如果你忽略传统的测量方法，只观察千分之一秒内高频测量的细节，就足以判断组织是否处于睡眠状态。这告诉我们，有些事情正在以非常快的速度发生着——这是对睡眠中可能发生的事情的一个新的暗示。”

对Hengen来说，他确信Parks和Schneider遗漏了一些东西，因为他们的结果与他多年来接受的神经科学教育中灌输的基本概念是如此矛盾。他要求Parks拿出越来越多的证据来证明这种现象可能是真的。

“这让我问自己，‘我的信念在多大程度上是基于证据的，我需要看到什么证据才能推翻这些信念?’”Hengen说。“这真的感觉像是一场猫捉老鼠的游戏，因为我一遍又一遍地要求David (Parks)拿出更多的证据，证明给我看，他会回来说‘看看这个!’作为一名科学家，让我的学生一块砖一块砖地拆除这些塔楼，这是一个非常有趣的过程。”

本地模式

因为人工神经网络本质上是一个黑盒子，不会报告它从中学到的东西，所以Parks开始剥离时间和空间信息层，试图了解模型可以从哪些模式中学习。

最终，他们找到了一种方法，可以观察到只有一毫秒长的大脑数据块，以及大脑电压波动的最高频率。

“我们提取了上个世纪神经科学用来理解、定义和分析睡眠的所有信息，我们问‘这个模型在这些条件下还能学习吗?’”Parks说。“这使我们能够研究我们以前不理解的信号。”

通过观察这些数据，他们能够确定，只有少数神经元之间的超高速活动模式是该模型所检测到的睡眠的基本要素。至关重要的是，这种模式不能用传统的、缓慢的、广泛的波浪来解释。研究人员假设，缓慢移动的波可能是为了协调快速的局部活动模式，但最终得出的结论是，快速模式更接近睡眠的真正本质。

如果将传统上用来定义睡眠的慢波与成千上万的人在棒球场做波相比较，那么这些快速移动的模式就是几个决定参与波的人之间的对话。这些对话的发生对于整个更大的浪潮的发生是必不可少的，并且与体育场的情绪更直接相关-浪潮是次要的结果。

观察闪烁

在进一步研究超局部活动模式时，研究人员开始注意到另一个令人惊讶的现象。

当他们观察预测睡眠或清醒的模型时，他们注意到一开始看起来像错误的地方，即在一瞬间，模型会在大脑的一个区域检测到清醒，而大脑的其他区域仍处于睡眠状态。他们在清醒状态下也看到了同样的情况:在一瞬间，一个区域会进入睡眠状态，而其他区域则处于清醒状态。他们称这种情况为“闪烁”。

Schneider说:“我们可以观察这些神经元放电的单个时间点，很明显(神经元)正在过渡到不同的状态。在某些情况下，这些闪烁可能仅限于单个大脑区域，甚至可能更小。”

这迫使研究人员探索闪烁对睡眠功能的影响，以及它们如何影响睡眠和清醒时的行为。

“这是一个自然的假设;比方说，当你醒着的时候，你大脑的一小部分进入了睡眠状态——这是否意味着你的行为突然看起来像睡着了?我们开始发现这种情况经常发生，”Schneider说。

在观察鼠的行为时，研究人员发现，当大脑的一个区域闪烁着进入睡眠状态，而大脑的其他部分是清醒的，鼠会暂停一秒钟，几乎就像它已经走神了。睡眠中的闪烁(一个大脑区域“醒来”)被动物在睡眠中抽搐所反映。

闪烁尤其令人惊讶，因为它们不遵循既定的规则，即大脑在清醒到非快速眼动睡眠再到快速眼动睡眠之间的严格循环。

Hengen说:“我们看到了从清醒到快速眼动的闪烁，从快速眼动到非快速眼动的闪烁——我们看到了所有这些可能的组合，它们打破了你基于百年文献所期望的规则。我认为它们揭示了宏观状态(整个动物的睡眠和清醒状态)与大脑基本状态(快速和局部模式)之间的分离。”

影响

更深入地了解高频模式以及清醒和睡眠之间的闪烁，可以帮助研究人员更好地研究神经发育和神经退行性疾病，这两种疾病都与睡眠失调有关。Haussler和Hengen的实验室小组都有兴趣进一步了解这种联系，Haussler有兴趣进一步研究大脑类器官模型中的这些现象，这些模型是在实验室工作台上培养的脑组织。

Hengen说:“这可能给我们一把非常非常锋利的手术刀，用来切入这些疾病和失调的问题。我们对睡眠和觉醒的基本概念了解得越多，就越能解决相关的临床和疾病相关问题。”

在基础层面上，这项工作有助于推进我们对大脑的多层复杂性的理解，大脑是决定行为、情感等的器官。

参考文献:“A nonoscillatory, millisecond-scale embedding of brain state provides insight into behavior” by David F. Parks, Aidan M. Schneider, Yifan Xu, Samuel J. Brunwasser, Samuel Funderburk, Danilo Thurber, Tim Blanche, Eva L. Dyer, David Haussler and Keith B. Hengen, 15 July 2024, Nature Neuroscience.