科普|科學家發(fā)現(xiàn)：當大腦其他部分清醒時，大腦的一小部分區(qū)域可以進行小睡，反之亦然

背景：睡覺和清醒：它們是完全不同的存在狀態(tài)，定義了我們日常生活的邊界。多年來，科學家通過觀察腦波來測量這些本能腦過程之間的差異，睡眠的特征是緩慢、持久的波動，通常以十分之一秒為單位跨越整個大腦。科學家發(fā)現(xiàn)，睡眠可以通過僅幾毫秒的神經元活動模式來檢測，這比一秒鐘短1000倍，揭示了一種研究和理解支配意識的基本腦波模式的新方法。他們還表明，大腦的小區(qū)域可以在其余大腦仍然處于睡眠狀態(tài)時短暫“閃爍”清醒，反之亦然，從清醒到睡眠。這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表于《自然神經科學》期刊的新研究，來自圣路易斯華盛頓大學生物學助理教授基思·亨根（Keith Hengen）和加州大學圣克魯茲分校生物分子工程杰出教授大衛(wèi)·豪斯勒（David Haussler）實驗室的合作。研究由博士生大衛(wèi)·帕克斯（David Parks）和艾登·施奈德（Aidan Schneider）進行。在四年的工作中，帕克斯和施奈德訓練了一個神經網絡，以研究大量腦波數(shù)據(jù)中的模式，發(fā)現(xiàn)了一些前所未有的高頻模式，這些模式挑戰(zhàn)了長期以來對睡眠和清醒神經基礎的基本觀念?！袄脧姶蟮墓ぞ吆托碌挠嬎惴椒?，挑戰(zhàn)我們*基本的假設，重新審視‘狀態(tài)是什么’這個問題，有很大的收獲，”亨根說。“睡眠或清醒是你行為的*大決定因素，其他一切都由此展開。所以如果我們不理解睡眠和清醒到底是什么，似乎就錯過了關鍵?！薄白鳛榭茖W家，我們發(fā)現(xiàn)大腦的不同部分在其他部分清醒時會小睡，這讓我們感到意外。雖然許多人可能早已懷疑這種情況，尤其是在觀察到配偶時，但令人驚訝的是，這種現(xiàn)象并沒有顯示出性別差異。”豪斯勒打趣道。1. 理解睡眠神經科學家通過記錄大腦活動的電信號，即電生理數(shù)據(jù)，來研究大腦，觀察電壓波在不同速度下的波峰和波谷。這些波中混合著單個神經元的尖峰模式。研究人員使用了來自圣路易斯亨根實驗室的小鼠數(shù)據(jù)。這些自由活動的動物佩戴了一種非常輕便的耳機，能夠記錄來自10個不同大腦區(qū)域的腦活動，持續(xù)數(shù)月，微秒級精確地追蹤小組神經元的電壓。如此多的輸入產生了PB級的數(shù)據(jù)——比GB大一百萬倍。大衛(wèi)·帕克斯領導了將這些原始數(shù)據(jù)輸入人工神經網絡的工作，這種網絡能夠發(fā)現(xiàn)高度復雜的模式，以區(qū)分睡眠和清醒的數(shù)據(jù)，并找出人類觀察可能遺漏的模式。與位于加州大學圣地亞哥分校的共享學術計算基礎設施的合作使得團隊能夠處理如此大規(guī)模的數(shù)據(jù)，這與谷歌或臉書等大公司使用的數(shù)據(jù)規(guī)模相當。知道睡眠通常被定義為緩慢波動，帕克斯開始將越來越小的數(shù)據(jù)塊輸入神經網絡，并要求其預測大腦是處于睡眠還是清醒狀態(tài)。團隊發(fā)現(xiàn)，該模型僅憑幾毫秒的腦活動數(shù)據(jù)就能區(qū)分睡眠和清醒。這讓研究團隊感到震驚——這表明模型不可能依賴于緩慢波動來學習睡眠和清醒之間的區(qū)別。就像聽一千分之一秒的歌曲無法告訴你它的節(jié)奏是否緩慢一樣，模型也不可能僅通過隨機孤立的毫秒信息來學習發(fā)生在幾秒鐘內的節(jié)奏?！拔覀兛吹降男畔⒓毠?jié)前所未有，”豪斯勒說。“之前的感覺是，那里不會發(fā)現(xiàn)任何東西，所有相關信息都在較慢頻率的波中。這篇論文表明，如果你忽視傳統(tǒng)測量，只關注高頻測量在千分之一秒內的細節(jié)，足以判斷組織是否處于睡眠狀態(tài)。這告訴我們，在非?？斓某叨壬习l(fā)生了一些事情——這是對睡眠中可能發(fā)生的事情的新線索?！焙喔鶆t確信帕克斯和施奈德錯過了什么，因為他們的結果與他多年來神經科學教育中灌輸?shù)幕靖拍钕嚆?。他要求帕克斯提供越來越多的證據(jù)，以證明這一現(xiàn)象可能是真實的?！斑@讓我挑戰(zhàn)自己，‘我的信念在多大程度上是基于證據(jù)的，我需要看到什么證據(jù)才能推翻這些信念？’”亨根說?！斑@確實讓我感覺像是一場貓鼠游戲，因為我一次又一次地要求大衛(wèi) [帕克斯]提供更多證據(jù)來證明給我看，而他則會回來告訴我，‘看看這個。’作為科學家，看到我的學生一磚一瓦地拆掉這些塔樓，對我來說是一個非常有趣的過程，我必須接受這一切。”2. 局部模式  因為人工神經網絡本質上是一個黑箱，不會反饋它從中學到的內容，帕克斯開始剝離時間和空間信息的層次，以嘗試理解模型可能學習到什么模式。  最終，他們把數(shù)據(jù)縮小到僅僅一毫秒長的腦數(shù)據(jù)片段，并專注于腦電波波動的*高頻率。  “我們去掉了神經科學在過去一個世紀里用于理解、定義和分析睡眠的所有信息，然后問自己，‘在這些條件下，模型還能夠學習嗎？’”帕克斯說。“這讓我們可以觀察到之前未曾理解的信號?！?nbsp; 通過查看這些數(shù)據(jù)，他們能夠確定幾乎只在幾個神經元之間快速活動的模式是模型檢測到的睡眠的基本元素。關鍵是，這種模式無法用傳統(tǒng)的、緩慢且廣泛的波動來解釋。研究人員假設，緩慢的波動可能是在協(xié)調快速、局部的活動模式，但最終得出的結論是，這些快速模式更接近睡眠的真實本質。  如果將用來定義睡眠的慢波比作成千上萬的人在棒球場上做波浪，那這些快速移動的模式就像是幾個人之間的對話，他們在決定是否加入波浪。這樣的對話對于大型波浪的形成是必不可少的，并與場館的氣氛直接相關，而波浪本身只是這種氣氛的一個次要表現(xiàn)。3. 觀察閃爍現(xiàn)象  在進一步研究超局部活動模式時，研究人員開始注意到另一個令人驚訝的現(xiàn)象。  當他們觀察模型預測睡眠或清醒狀態(tài)時，他們注意到最初看起來像是錯誤的情況，即模型在大腦的一個區(qū)域檢測到清醒，而其余部分仍然處于睡眠狀態(tài)。這種現(xiàn)象在清醒狀態(tài)中也出現(xiàn)：在短暫的一瞬間，一個區(qū)域會入睡，而其余區(qū)域則保持清醒。他們將這些實例稱為“閃爍”。  “我們可以查看這些神經元放電的具體時間點，很明顯這些神經元正在轉變到不同的狀態(tài)，”施奈德說?！霸谀承┣闆r下，這些閃爍可能僅限于單個大腦區(qū)域，甚至可能更小。”  這促使研究人員探索閃爍現(xiàn)象對睡眠功能的意義，以及它們如何影響睡眠和清醒狀態(tài)下的行為。  “這里有一個自然的假設；假設你大腦的一小部分在你清醒時進入睡眠——這是否意味著你的行為突然看起來像是你在睡覺？我們開始看到這往往是事實，”施奈德說。  在觀察老鼠的行為時，研究人員發(fā)現(xiàn)，當一個大腦區(qū)域在其余大腦清醒時閃爍入睡時，老鼠會停頓一秒鐘，幾乎就像它走神了一樣。睡眠中的閃爍（一個大腦區(qū)域“醒來”）則表現(xiàn)為動物在睡夢中抽動。  閃爍現(xiàn)象特別令人驚訝，因為它們不遵循嚴格的規(guī)則，這些規(guī)則規(guī)定了大腦在清醒、非快速眼動睡眠和快速眼動睡眠之間順序移動的嚴格周期。  “我們看到從清醒到快速眼動睡眠的閃爍，從快速眼動睡眠到非快速眼動睡眠的閃爍——我們看到所有這些可能的組合，它們打破了你基于一百年文獻所期望的規(guī)則，”亨根說?！拔艺J為它們揭示了宏觀狀態(tài)——整個動物的睡眠與清醒，以及大腦中狀態(tài)的基本單元——快速和局部的模式之間的分離?！?. 影響  更深入地理解高頻率下發(fā)生的模式以及清醒和睡眠之間的閃爍現(xiàn)象，可以幫助研究人員更好地研究與睡眠調節(jié)失常相關的神經發(fā)育和神經退行性疾病。豪斯勒和亨根的實驗室團隊都對深入理解這種聯(lián)系很感興趣，豪斯勒尤其希望在大腦類器官模型中進一步研究這些現(xiàn)象，這些模型是在實驗室培養(yǎng)的腦組織小塊。  “這讓我們能夠用一個非常鋒利的手術刀來切入這些疾病和障礙的問題，”亨根說?！拔覀儗λ吆颓逍训幕A理解越深入，就越能解決相關的臨床和疾病問題?！?nbsp; 從基礎層面上講，這項工作有助于推動我們對大腦這一決定行為、情感等多重復雜性層次的理解。References:1. https://www.nature.com/articles/s41593-024-01715-2聲明：文章來源公眾號研途用腦，圖文僅作為學習交流，其版權歸出版社或者原作者所有，本公眾號不對所涉及的版權問題負責。如原作者認為侵權，請聯(lián)系我們，我們立即刪除文章，謝謝！版權歸原作者所有，如有侵權請告知刪除。卓智未來注意力 · 心理咨詢 · 學習能力訓練

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