撰文丨nagashi
编辑丨王多鱼
排版丨水成文
“中午不睡，下午崩溃”。
对很多人来说，午睡是下午保持工作精力的必要条件。研究表明，短时间的睡眠对认知和行为表现方面具有积极影响。与不休息的受试者相比，在白天经历短暂睡眠的人，表现出更好的学习、记忆和感知表现。
然而，尽管睡眠有利于提高认知能力和行为表现的观点已经存在了一个世纪，但科学家们对其潜在的神经机制仍然知之甚少。
2024年11月30日，美国威尔康奈尔医学院Valentin Dragoi教授团队在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为：NREM sleep improves behavioral performance by desynchronizing cortical circuits 的研究论文。
该研究通过同时记录大脑多个区域的单个神经元活动， 发现仅30分钟的短期睡眠就足以显著改变大脑的认知功能和行为 ，进而揭示了睡眠增强神经元和行为表现的关键机制，这一发现可能颠覆我们对睡眠如何提高脑力的基本理解，也为开发睡眠障碍的创新疗法甚至是提高认知和行为表现的方法铺平了道路。
这项研究不仅加深了我们对睡眠在认知功能中作用的机制理解，而且开辟了新领域，表明了特定的大脑刺激模式可以替代睡眠的一些益处，为我们在未来独立于睡眠本身增强大脑功能指明了方向。
非快速眼动睡眠（NREM） 对于人和动物在清醒时的运动和感觉学习经历的记忆巩固至关重要。在NREM期间，0.5-4HZ的同步振荡（慢波活动，SWA）遍及大脑皮层区域，这表明NREM中的跨区域内部信息交互在记忆巩固中发挥着重要作用。
值得注意的是，在人体种的相关研究主要关注睡眠期间大脑整体活动的变化，并依赖于非侵入性方法，例如脑电图（EEG）或功能性磁共振成像（fMRI）。这些方法缺乏在单个神经元或网络水平上检查变化所需的空间和时间分辨率。与之相反，小型哺乳动物（例如小鼠）的电生理记录主要集中在睡眠后记忆的选择性再激活上，但睡眠改善行为表现的神经机制很少被直接研究。
在这项最新研究中，研究团队通过多电极阵列在猕猴的大脑皮层的V1和V4视觉区和背外侧前额叶皮层（dlPFC）中记录了4422个神经元的活动，以此研究这些猕猴在睡眠前/中/后期的神经元群的动态和信息编码，并观察它们在进行视觉识别任务的表现。
短期睡眠可以改善行为表现
研究团队重点关注了短期睡眠（仅休息30分钟）对非人灵长类动物模型在行为和认知能力上的影响。在每次试验中，猴子在30分钟的短期睡眠前后执行相同的图像方向辨别任务。对照试验设置为猴子在黑暗环境中安静地坐了30分钟而没有入睡。
研究团队发现，短期睡眠可以显著地巩固学习记忆，改善行为和认知表现。尤其是在困难的视觉识别任务中，与不睡觉时相比，猕猴在经历短期睡眠后，辨别能力显著提高。此外，多导睡眠图（PSG，也成为睡眠脑电图）分析显示，在30分钟的睡眠期间，δ波（0.5-4Hz）局部场电位（LFP）活动增加，这被记录为NREM睡眠阶段1和2。
睡眠通过去同步神经元群的活动来提高神经网络的准确性
值得注意的是，尽管睡眠诱导皮层区域的群体活动同步波动，但相对于睡眠前的状态，睡眠后的群体活动变得更加不同步。睡眠后的变化与每个皮层区域中编码的信息量增加及行为表现改善之间存在相关性。有趣的是，在视觉皮层中进行4Hz的低频电刺激可以模拟睡眠对神经网络、行为和认知功能的有益影响。
4Hz的低频电刺激可以模拟睡眠对大脑的有益影响
不仅如此，研究团队还构建了一个视觉皮层的循环神经网络模型，该模型由1008个兴奋性和252个抑制性整合及发射神经元组成。这一大规模神经网络模型表明，局部大脑皮层内突触的不对称抑制与观察到的短期睡眠前后的神经活动变化相一致。
这一发现推翻了此前提出的睡眠有助于神经修复的观点。此前的观点认为，神经系统在清醒时积累的代谢产物会在睡眠期间被加速清除，因此大脑在睡眠后的认知和记忆功能得到改善。然而，这项新研究表明，即使是短暂的睡眠就足以显著改善大脑的行为表现。此外，小鼠的影像学研究表明，20-30分钟的短期睡眠后代谢产物的清除率可以忽略不计，因此这种机制不太可能解释睡眠的恢复功能。
循环神经网络模型的构建
总的来说，这项发表于Science的研究表明，睡眠通过增加皮质内突触的净兴奋效应来改善神经元和行为表现，而仅30分钟的短期睡眠就可以为大脑的认知和记忆功能带来显著的改善效应。此外，低频电刺激可以模拟睡眠对大脑的有益影响，这一发现为侵入性刺激程序提供了概念验证，可以在没有睡眠的情况下的改善认知能力，并可能为人类未来的神经调控奠定基础。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr3339