撰文丨nagashi
編輯丨王多魚
排版丨水成文
“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，短時間的睡眠對認知和行為表現方面具有積極影響。與不休息的受試者相比，在白天經歷短暫睡眠的人，表現出更好的學習、記憶和感知表現。
然而，儘管睡眠有利於提高認知能力和行為表現的觀點已經存在了一個世紀，但科學家們對其潛在的神經機制仍然知之甚少。
2024年11月30日，美國威爾康奈爾醫學院Valentin Dragoi教授團隊在國際頂尖學術期刊Science上發表了題為：NREM sleep improves behavioral performance by desynchronizing cortical circuits 的研究論文。
該研究透過同時記錄大腦多個區域的單個神經元活動， 發現僅30分鐘的短期睡眠就足以顯著改變大腦的認知功能和行為 ，進而揭示了睡眠增強神經元和行為表現的關鍵機制，這一發現可能顛覆我們對睡眠如何提高腦力的基本理解，也為開發睡眠障礙的創新療法甚至是提高認知和行為表現的方法鋪平了道路。
這項研究不僅加深了我們對睡眠在認知功能中作用的機制理解，而且開闢了新領域，表明了特定的大腦刺激模式可以替代睡眠的一些益處，為我們在未來獨立於睡眠本身增強大腦功能指明瞭方向。
非快速眼動睡眠（NREM） 對於人和動物在清醒時的運動和感覺學習經歷的記憶鞏固至關重要。在NREM期間，0.5-4HZ的同步振盪（慢波活動，SWA）遍及大腦皮層區域，這表明NREM中的跨區域內部資訊互動在記憶鞏固中發揮著重要作用。
值得注意的是，在人體種的相關研究主要關注睡眠期間大腦整體活動的變化，並依賴於非侵入性方法，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神經元或網路水平上檢查變化所需的空間和時間解析度。與之相反，小型哺乳動物（例如小鼠）的電生理記錄主要集中在睡眠後記憶的選擇性再啟用上，但睡眠改善行為表現的神經機制很少被直接研究。
在這項最新研究中，研究團隊透過多電極陣列在獼猴的大腦皮層的V1和V4視覺區和背外側前額葉皮層（dlPFC）中記錄了4422個神經元的活動，以此研究這些獼猴在睡眠前/中/後期的神經元群的動態和資訊編碼，並觀察它們在進行視覺識別任務的表現。
短期睡眠可以改善行為表現
研究團隊重點關注了短期睡眠（僅休息30分鐘）對非人靈長類動物模型在行為和認知能力上的影響。在每次試驗中，猴子在30分鐘的短期睡眠前後執行相同的影象方向辨別任務。對照試驗設定為猴子在黑暗環境中安靜地坐了30分鐘而沒有入睡。
研究團隊發現，短期睡眠可以顯著地鞏固學習記憶，改善行為和認知表現。尤其是在困難的視覺識別任務中，與不睡覺時相比，獼猴在經歷短期睡眠後，辨別能力顯著提高。此外，多導睡眠圖（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）區域性場電位（LFP）活動增加，這被記錄為NREM睡眠階段1和2。
睡眠透過去同步神經元群的活動來提高神經網路的準確性
值得注意的是，儘管睡眠誘導皮層區域的群體活動同步波動，但相對於睡眠前的狀態，睡眠後的群體活動變得更加不同步。睡眠後的變化與每個皮層區域中編碼的資訊量增加及行為表現改善之間存在相關性。有趣的是，在視覺皮層中進行4Hz的低頻電刺激可以模擬睡眠對神經網路、行為和認知功能的有益影響。
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，研究團隊還構建了一個視覺皮層的模型，該模型由1008個興奮性和252個抑制性整合及發射神經元組成。這一大規模神經網路模型表明，區域性大腦皮層內突觸的不對稱抑制與觀察到的短期睡眠前後的神經活動變化相一致。
這一發現推翻了此前提出的睡眠有助於神經修復的觀點。此前的觀點認為，神經系統在清醒時積累的代謝產物會在睡眠期間被加速清除，因此大腦在睡眠後的認知和記憶功能得到改善。然而，這項新研究表明，即使是短暫的睡眠就足以顯著改善大腦的行為表現。此外，小鼠的影像學研究表明，20-30分鐘的短期睡眠後代謝產物的清除率可以忽略不計，因此這種機制不太可能解釋睡眠的恢復功能。
迴圈神經網路模型的構建
總的來說，這項發表於Science的研究表明，睡眠透過增加皮質內突觸的淨興奮效應來改善神經元和行為表現，而僅30分鐘的短期睡眠就可以為大腦的認知和記憶功能帶來顯著的改善效應。此外，低頻電刺激可以模擬睡眠對大腦的有益影響，這一發現為侵入性刺激程式提供了概念驗證，可以在沒有睡眠的情況下的改善認知能力，並可能為人類未來的神經調控奠定基礎。
論文連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr3339
