原創(chuàng) Manjarrez 神經(jīng)現(xiàn)實

在過去的幾十年里，科學告訴我們哺乳動物的大腦并不總是完全清醒或完全睡著的。海豚[1]可以在一個腦半球處于睡眠狀態(tài)而另一個腦半球處于警覺狀態(tài)時游泳，而睡眠不足的大鼠[2]的一些神經(jīng)元可以在它們?nèi)匀磺逍褧r“關(guān)閉”。在人類中，這種所謂的“局部睡眠”（即特定的神經(jīng)元集群在大腦其余部分保持清醒的情況下小睡）的研究更具挑戰(zhàn)性，因為用于追蹤其他哺乳動物的侵入性方法不適用于人類。

PNAS[3]7月21日發(fā)表的一項研究似乎已經(jīng)克服了這一困難。通過同時繪制用兩種不同方法（一種具有良好的時間分辨率，另一種具有良好的空間分辨率）測量的人腦信號，該團隊在局部水平上精確確定了神經(jīng)元集群的清醒或睡眠狀態(tài)。這一成就使識別最先入睡或最先醒來的腦區(qū)成為可能。專家表示，這有望成為研究人類睡眠的一個重要工具。

Song, Chen, et al. "fMRI spectral signatures of sleep." Proceedings of the National Academy of Sciences 119.30 (2022): e2016732119.

https://doi.org/10.1073/pnas.2016732119

傳統(tǒng)上，研究人類睡眠的方法是使用腦電圖（EEG），它通過放置在頭皮上的電極來測量大腦的電活動?？ǖ戏虼髮W的腦研究員宋晨博士在威斯康星大學麥迪遜分校做博士后時參與了這項新研究，她解釋說，腦電圖擅長測量快速的變化，但它的空間分辨率非常差。因此，盡管科學家已經(jīng)從腦電圖中了解了很多關(guān)于睡眠信號的知識，但這項技術(shù)告訴我們的關(guān)于局部睡眠的信息很少。

戴著腦電圖帽，在模擬的功能磁共振成像掃描儀中的被試

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圖片由宋晨提供

宋晨和她的同事們決定將腦電圖與一種互補的技術(shù)——功能磁共振成像（fMRI）一同使用，后者通過測量大腦中的血液流量來反映神經(jīng)元活動。宋晨解釋說，與腦電圖相反，功能磁共振成像不擅長測量短而快速的變化，但它能以立方毫米的分辨率區(qū)分大腦活動。研究小組決定探究在腦電圖測量中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的典型的睡眠神經(jīng)信號（慢波及一陣陣被稱作睡眠紡錘波的波動）是否可以被功能磁共振成像提供的圖像所反映。

該研究小組利用之前的一項研究[4]中收集的數(shù)據(jù)，分析了36名受試者的大腦活動。這些受試者在fMRI掃描儀中戴著腦電圖帽入睡了一小時。通過觀察血流活動的波動，并將其與腦電圖數(shù)據(jù)進行比較，宋晨和她的同事發(fā)現(xiàn)，典型的睡眠腦電波圖像與fMRI記錄的血氧反應相對應。

- Nick Matej -

研究人員進一步發(fā)現(xiàn)，這些血流波動在大腦中有不同的時空模式，這說明當我們?nèi)胨瘯r，一些區(qū)域比其他區(qū)域更早進入睡眠狀態(tài)。例如，在他們的分析中，丘腦是第一個顯示與睡眠相關(guān)的血液流動模式的區(qū)域，這一發(fā)現(xiàn)與之前基于腦電圖數(shù)據(jù)的研究[5]結(jié)果一致——該研究報告稱，在進入睡眠的過渡期間，該區(qū)域可能比其他區(qū)域更早關(guān)閉。

他們在測量志愿者醒來時的大腦活動時發(fā)現(xiàn)了另一個時空模式。例如，大腦的額葉皮質(zhì)區(qū)可能是最先醒來的區(qū)域之一。宋晨說，這與研究人員之前部分基于動物研究、但主要基于理論推理[6]的想法[7]不同，因為這些區(qū)域與認知處理有關(guān)，“并且很多時候當你醒來時，你（可能）感覺你完全無法集中精力?！比欢纬砍姓J，在fMRI掃描中睡覺“非常不自然”，人們可能睡眠較輕，才導致了這些觀察結(jié)果。

- Nick Matej -

范德堡大學的電氣工程師卡蒂·張（Catie Chang）未參與此研究，但她說，這項研究為在局部層面研究大腦提供了“一個新的視角”，并且作者使用的方法可以幫助我們“拼接出一幅更完整的畫面”，來理解我們睡著時大腦發(fā)生了什么。

使用fMRI監(jiān)測局部睡眠也可能有助于提高我們對睡眠障礙的理解?？ǖ佟堈f，舉個例子，研究人員可以開始探究“沒有入睡困難的健康志愿者與可能有睡眠困難的人”相比有什么不同。宋晨認為，這項技術(shù)尤其適合用于理解局部睡眠和局部清醒是否對人類有任何意義，因為目前“我們對此一無所知”。

審校后記

殷尚墨羽：時間與空間分辨率的權(quán)衡，是腦科學研究工作者時常面臨的問題。雖然腦磁圖可以獲得高時空分辨率的數(shù)據(jù)，但其極其高昂的成本、極其有限的設備數(shù)量，讓大量科學家們望而卻步。而將成熟且常見的EEG與fMRI結(jié)合起來，則可以很好地互補優(yōu)勢。這一技術(shù)的難點可能在于材料——傳統(tǒng)EEG設備離不開金屬，而fMRI的強大磁場無法與之兼容。一旦突破了這層技術(shù)限制，我們將迎來廣袤的天地：本文提及的睡眠腦功能研究只是一個開始，在未來，將有更多的腦科學問題得到解答——讓我們拭目以待。

參考文獻

[1]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0006899377908356

[2]https://www.nature.com/articles/nature10009

[3]https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2016732119

[4]https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(14)00250-5?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0896627314002505%3Fshowall%3Dtrue

[5]https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.0909710107

[6]https://www.dovepress.com/sleep-inertia-current-insights-peer-reviewed-fulltext-article-NSS

[7]https://academic.oup.com/brain/article/125/10/2308/300447

作者：Alejandra Manjarrez | 翻譯：Arwen

校對：殷尚墨羽 | 編輯：M.W.

排版：騏跡 | 封面：Nick Matej

來源：https://www.the-scientist.com/news-opinion/which-neurons-go-to-sleep-first-in-humans-fmri-can-tell-70340

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