“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(shí)間的睡眠對認(rèn)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(rèn)知能力和行為表現(xiàn)的觀點(diǎn)已經(jīng)存在了一個(gè)世紀(jì)，但科學(xué)家們對其潛在的神經(jīng)機(jī)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(tuán)隊(duì)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(shí)記錄大腦多個(gè)區(qū)域的單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)僅30分鐘的短期睡眠就足以顯著改變大腦的認(rèn)知功能和行為，進(jìn)而揭示了睡眠增強(qiáng)神經(jīng)元和行為表現(xiàn)的關(guān)鍵機(jī)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(rèn)知和行為表現(xiàn)的方法鋪平了道路。
這項(xiàng)研究不僅加深了我們對睡眠在認(rèn)知功能中作用的機(jī)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(dú)立于睡眠本身增強(qiáng)大腦功能指明了方向。
非快速眼動(dòng)睡眠（NREM）對于人和動(dòng)物在清醒時(shí)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(dòng)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(gè)神經(jīng)元或網(wǎng)絡(luò)水平上檢查變化所需的空間和時(shí)間分辨率。與之相反，小型哺乳動(dòng)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(jī)制很少被直接研究。
在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)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(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)，以此研究這些獼猴在睡眠前/中/后期的神經(jīng)元群的動(dòng)態(tài)和信息編碼，并觀察它們在進(jìn)行視覺識(shí)別任務(wù)的表現(xiàn)。
短期睡眠可以改善行為表現(xiàn)
研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)關(guān)注了短期睡眠（僅休息30分鐘）對非人靈長類動(dòng)物模型在行為和認(rèn)知能力上的影響。在每次試驗(yàn)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(yàn)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(tuán)隊(duì)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(rèn)知表現(xiàn)。尤其是在困難的視覺識(shí)別任務(wù)中，與不睡覺時(shí)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(dòng)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(dòng)來提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)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(dòng)同步波動(dòng)，但相對于睡眠前的狀態(tài)，睡眠后的群體活動(dòng)變得更加不同步。睡眠后的變化與每個(gè)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(jìn)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(rèn)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(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了一個(gè)視覺皮層的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型由1008個(gè)興奮性和252個(gè)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(dòng)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(diǎn)。此前的觀點(diǎn)認(rèn)為，神經(jīng)系統(tǒng)在清醒時(shí)積累的代謝產(chǎn)物會(huì)在睡眠期間被加速清除，因此大腦在睡眠后的認(rèn)知和記憶功能得到改善。然而，這項(xiàng)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(jì)，因此這種機(jī)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(xiàng)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(rèn)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(yàn)證，可以在沒有睡眠的情況下的改善認(rèn)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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