睡眠对认知功能的提升作用已被广泛认可，但其背后的神经机制尚不清楚。尤其是与非快速眼动睡眠（non–rapid eye movement，NREM）相关的机制，在很大程度上仍未被探索。
NREM睡眠是相对安静和稳定的睡眠阶段，与快速眼动（rapid eye movement，REM）睡眠相比，NREM睡眠期间眼球运动较少，身体活动降低，心率和呼吸趋于平稳。NREM睡眠与REM睡眠交替出现，每个周期大约90分钟，一个典型的夜间睡眠包含多个这样的周期。随着夜晚的推移，NREM睡眠的深度通常逐渐减少，而REM睡眠的时长则逐渐增加。良好的NREM睡眠对于第二天的精神状态、认知功能和整体健康有着重要影响。
最近，发表在《科学》（Science）杂志上的一项新研究探讨了NREM睡眠如何影响大脑皮层活动，以及这些变化如何与行为表现的提升相关，结果发现，睡眠后，大脑皮层活动变得更加去同步，并且这种变化与信息编码的增加和行为表现的改善相关联。此外，研究者们通过在视觉皮层进行4赫兹的电刺激，模拟了睡眠对网络和感知表现的有益效果。这项研究不仅增进了我们对睡眠如何影响认知功能的理解，还能为未来神经调控技术的发展提供新的思路（Kharas et al., 2024）。
研究者首先在猕猴大脑中涉及视觉处理和执行功能的脑区——视觉皮层（V1和V4区）和背外侧前额叶皮层（dlPFC）——插入多个电极，并采用多电极阵列记录了三个脑区数千个神经元的活动。随后，让猕猴在30分钟的NREM睡眠前后执行一项视觉辨别任务，以评估睡眠对动物行为表现的影响。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监测仪监测它们的大脑和肌肉活动，同时进行视频分析，以确保它们闭着眼睛，身体放松。最后，研究者在猕猴的视觉皮层进行4赫兹的电刺激，以模拟睡眠对网络和感知表现的有益效果。
研究结果表明，睡眠改善了猕猴在视觉任务中的表现，提高了分辨旋转图像的准确性。重要的是，这种提高是那些真正入睡的猕猴所独有的，那些经历了安静清醒而没有入睡的猕猴并没有表现出同样的脑力提升。在睡眠过程中，该研究观察到低频delta波（0.5至4赫兹）活动增加，不同皮质区域的神经元之间同步发射。然而，与睡眠前相比，睡眠后神经元的活动变得更加不同步，从而使神经元能够更加独立地发射信号。这种转变提高了信息处理的准确性和视觉任务的表现。
此外，研究人员还通过对视觉皮层进行低频电刺激来模拟睡眠对神经的影响。他们在动物清醒时施加了4赫兹的刺激，以模仿在NREM睡眠中观察到的delta频率。这种人工刺激再现了睡眠后的去同步化效应，并同样提高了动物的任务表现，这表明特定的电刺激模式有可能用来模拟睡眠对认知的益处。这一发现意义重大，它表明无需实际睡眠也能实现睡眠的某些恢复和提高表现的效果。在清醒状态下重现类似睡眠的神经非同步化的能力，为在无法入睡的情况下提高认知和感知能力提供了新的可能性，例如睡眠障碍患者或在太空探索等情有可原的情况下。
最后，研究人员构建了一个大规模神经网络模型，以探究睡眠后观察到的神经活动变化的潜在神经机制。他们发现，在睡眠期间，大脑中的兴奋性和抑制性连接都会变弱，但它们是不对称的，抑制性连接比兴奋性连接更弱，从而导致兴奋性增加。该研究发现了大脑在睡眠后采用的一种令人惊讶的解决方案，即参与任务的神经群在睡眠后会降低其同步水平，尽管它们在睡眠期间本身就接受了同步输入。NREM睡眠能以这种方式有效改善大脑，而且这种复位可以人为模仿，这一观点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。
总之，这项研究揭示了NREM睡眠通过去同步大脑皮层活动来提升认知和行为表现的潜在机制。睡眠期间的同步活动可能触发了一种稳态过程，使得随后的任务中皮层活动的同步性降低，从而提高了神经元和行为表现的准确性。这一发现不仅增进了我们对睡眠如何影响认知功能的理解，还为未来神经调控技术的发展提供了新的思路，特别是在改善感知表现方面。
参考文献：
Natasha Kharas, Mircea I. Chelaru, Sarah Eagleman, Arun Parajuli, Valentin Dragoi. NREM sleep improves behavioral performance by desynchronizing cortical circuits. Science, 2024; 386 (6724): 892 DOI: 10.1126/science.adr3339
Rice University. (2024, November 22). New insights into sleep uncover key mechanisms related to cognitive function. ScienceDaily. Retrieved November 23, 2024 from www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241122160750.htm
排版 | 麦麦
审核 | 梓霖
来源 | SelfCulturalPsy
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