Science提出对睡眠的新见解：揭示了与认知功能相关的关键机制

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。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《科学》杂志上的研究揭示了非快速眼动睡眠——比如打盹时的浅睡眠——是如何促进大脑同步并增强信息编码的，为这一睡眠阶段提供了新的视角。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。

这项研究对猕猴在30分钟的非快速眼动睡眠前后进行视觉辨别任务时，多个大脑区域的神经活动进行了检查。利用多电极阵列，研究人员记录了大脑中三个区域的数千个神经元的活动：初级和中级视觉皮层以及与视觉处理和执行功能相关的背外侧前额皮质。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，这种改善是那些真正睡着了的猕猴所特有的——那些经历了安静清醒而没有睡着的猕猴没有表现出同样的表现提升。

“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。

德拉戈伊说：“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。”德拉戈伊是研究的合著者，赖斯大学电子和计算机工程教授，休斯顿卫理会大学神经修复学罗斯玛丽和丹尼尔J.哈里森三世总统杰出主席，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提高认知和感知表现开辟了新的可能性——比如患有睡眠障碍的人，或者在太空探索等情有可原的情况下。”

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。

德拉戈伊说：“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。

德拉戈伊说：“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，指出未来我们可能会独立于睡眠本身来促进大脑功能。”