大脑皮层功能层级揭示睡眠稳态压力缓解的时空动态机制

《Nature Communications》：Cortical hierarchy underlying homeostatic sleep pressure alleviation

本研究通过同步脑电-功能磁共振成像技术，揭示了睡眠稳态压力缓解过程中大脑活动沿感觉-联合皮层梯度呈现层级性变化的规律。研究人员发现睡眠期间BOLD信号波动振幅（ALFF）在感觉皮层增强而在联合皮层减弱，这种差异在睡眠初期最为显著，并随慢波活动（SWA）减弱而逐步缩小。该研究首次证实了睡眠稳态调节与脑内糖酵解代谢的空间关联，为理解睡眠的恢复功能提供了新的神经影像学证据。

　　

当我们熬过一个不眠之夜，第二天总会感到头脑昏沉、反应迟钝。这种现象背后，是大脑中积累的"睡眠压力"在作祟。睡眠作为人类最重要的生理过程之一，约占人生三分之一时间，但其如何帮助大脑恢复功能、缓解睡眠压力的神经机制，尤其是大脑不同区域如何协同参与这一过程，至今仍是未解之谜。传统研究多局限于脑电图记录，虽能监测脑电活动但空间分辨率有限；而功能磁共振成像（fMRI）虽能提供全脑范围的高空间分辨率图像，却难以准确区分睡眠阶段。正是这种技术局限，阻碍了我们对睡眠恢复功能的深入理解。

近日发表于《Nature Communications》的一项研究突破了这一瓶颈。由北京大学高家红团队领衔，联合宾夕法尼亚大学等多家机构的研究人员，创新性地采用同步脑电-功能磁共振成像（EEG-fMRI）技术，对130名健康成年人进行夜间睡眠监测，首次绘制出睡眠压力缓解过程中大脑活动变化的时空动态图谱。

研究团队通过密集采样获取了375.72小时的同步监测数据，采用低频振幅（ALFF）作为衡量大脑自发活动强度的指标。结果发现，与清醒状态相比，睡眠期间大脑活动变化呈现出明显的层级特征：感觉皮层（如视觉、体感皮层）活动增强，而联合皮层（如前额叶、默认模式网络）活动减弱。这种变化模式与大脑的感觉-联合功能梯度高度吻合。

尤为重要的是，这种睡眠相关的脑活动变化与个体的睡眠压力密切相关。研究人员通过分析脑电中的慢波活动（SWA）——睡眠压力的可靠指标，发现SWA越高的个体，其感觉皮层的ALFF增强和联合皮层的ALFF减弱越明显。这表明BOLD信号波动振幅能够有效反映个体间的睡眠压力差异。

随着睡眠的持续进行，这种层级性变化呈现出动态调节的特征。研究显示，在睡眠最初一小时内，睡眠-清醒的ALFF差异最为显著，而在第一小时后，这种差异逐渐缩小。特别是在前额叶网络，睡眠初期观察到的活动减弱现象随着睡眠压力的缓解而逐步恢复接近清醒水平。这种"降尺度"效应沿着皮层功能层级分布，提示睡眠在调节不同功能网络活动中发挥着重要作用。

研究还探讨了睡眠稳态调节与脑能量代谢的关系。通过对比正电子发射断层扫描（PET）获得的脑葡萄糖代谢数据，发现睡眠相关的ALFF变化与糖酵解代谢呈负相关，而与氧化代谢呈正相关。这意味着在糖酵解水平较低、氧化代谢水平较高的脑区，睡眠-清醒的ALFF差异更为明显。这一发现将睡眠的恢复功能与脑能量代谢联系起来，为理解睡眠的代谢基础提供了新视角。

为了验证结果的可靠性，研究团队进行了多项验证分析：使用独立评分者的睡眠分期结果、另一个独立的睡眠EEG-fMRI数据集、睡眠剥夺和恢复睡眠实验设计，以及不同的fMRI分析指标。所有这些验证都支持了主要发现的稳健性和可重复性。

在睡眠剥夺实验中，研究人员发现整夜睡眠剥夺后，大脑活动模式向睡眠状态转变，即使参与者处于清醒状态。而在恢复睡眠后，这种异常模式得到逆转，表明睡眠确实对大脑活动具有恢复作用。部分睡眠剥夺实验也观察到了类似但较弱的重组效应。

此外，研究还分析了跨层级全局波的传播特性。发现睡眠期间自下而上（从感觉皮层向联合皮层）的传播增加，而自上而下的传播减少，这与意识水平降低的研究结果一致，进一步支持了睡眠期间信息处理方式的改变。

主要技术方法

研究纳入了130名健康成年人，采集了同步EEG-fMRI数据。fMRI数据预处理包括头动校正、去噪和空间标准化。采用线性混合效应模型分析睡眠阶段对ALFF的主效应，以及累积睡眠时间与睡眠阶段的交互效应。通过空间自旋检验校正空间自相关，使用独立数据集和多种分析指标进行验证。

皮层波动差异沿感觉-联合层级分布

研究发现睡眠期间ALFF变化在感觉皮层增强、联合皮层减弱，这种模式与主要功能梯度呈显著负相关（r=-0.78），表明睡眠对大脑活动的影响具有系统性层级特征。

BOLD波动振幅差异捕获睡眠压力的个体变异

个体水平的分析显示，△ALFF与△SWA之间存在显著关联，感觉皮层呈正相关而联合皮层呈负相关，回归系数图与皮层功能梯度呈负对齐（r=-0.57），证明ALFF差异能够有效反映睡眠压力的个体差异。

BOLD波动振幅差异随睡眠压力缓解而降尺度

随着睡眠的累积，睡眠初期显著的ALFF差异逐渐减弱，表现为联合皮层活动恢复、感觉皮层活动减弱。这种降尺度效应在七个功能网络中的四个达到显著性水平，且与功能梯度显著相关（r=0.21）。

睡眠稳态对BOLD波动振幅的调节与糖酵解空间关联

睡眠相关的ALFF变化及其对睡眠压力的反应都与糖酵解代谢呈显著空间相关，且这种关联在控制基因表达和神经递质的影响后仍然显著，表明其特异性。

研究结果的稳健性和可重复性

所有主要发现在独立评分者、独立数据集、睡眠剥夺实验和不同分析方法下均得到验证，证明了结果的可靠性。

研究结论表明，睡眠通过调节沿感觉-联合层级的脑活动来缓解睡眠压力，这种调节具有明显的时空动态特征，并与脑能量代谢密切相关。这些发现为理解睡眠的恢复功能提供了新的视角，对开发睡眠障碍干预措施具有重要启示。研究的创新之处在于首次绘制了睡眠压力缓解的全脑时空动态图谱，将神经活动、代谢和功能架构有机联系起来，为睡眠研究领域做出了重要贡献。