原創(chuàng) Manjarrez 神經(jīng)現(xiàn)實(shí)

在過(guò)去的幾十年里，科學(xué)告訴我們哺乳動(dòng)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(gè)腦半球處于睡眠狀態(tài)而另一個(gè)腦半球處于警覺(jué)狀態(tài)時(shí)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(shí)“關(guān)閉”。在人類(lèi)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?yàn)橛糜谧粉櫰渌溉閯?dòng)物的侵入性方法不適用于人類(lèi)。

PNAS[3]7月21日發(fā)表的一項(xiàng)研究似乎已經(jīng)克服了這一困難。通過(guò)同時(shí)繪制用兩種不同方法（一種具有良好的時(shí)間分辨率，另一種具有良好的空間分辨率）測(cè)量的人腦信號(hào)，該團(tuán)隊(duì)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(shí)別最先入睡或最先醒來(lái)的腦區(qū)成為可能。專家表示，這有望成為研究人類(lèi)睡眠的一個(gè)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(lèi)睡眠的方法是使用腦電圖（EEG），它通過(guò)放置在頭皮上的電極來(lái)測(cè)量大腦的電活動(dòng)?？ǖ戏虼髮W(xué)的腦研究員宋晨博士在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校做博士后時(shí)參與了這項(xiàng)新研究，她解釋說(shuō)，腦電圖擅長(zhǎng)測(cè)量快速的變化，但它的空間分辨率非常差。因此，盡管科學(xué)家已經(jīng)從腦電圖中了解了很多關(guān)于睡眠信號(hào)的知識(shí)，但這項(xiàng)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(bǔ)的技術(shù)——功能磁共振成像（fMRI）一同使用，后者通過(guò)測(cè)量大腦中的血液流量來(lái)反映神經(jīng)元活動(dòng)。宋晨解釋說(shuō)，與腦電圖相反，功能磁共振成像不擅長(zhǎng)測(cè)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(dòng)。研究小組決定探究在腦電圖測(cè)量中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的典型的睡眠神經(jīng)信號(hào)（慢波及一陣陣被稱作睡眠紡錘波的波動(dòng)）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(xiàng)研究[4]中收集的數(shù)據(jù)，分析了36名受試者的大腦活動(dòng)。這些受試者在fMRI掃描儀中戴著腦電圖帽入睡了一小時(shí)。通過(guò)觀察血流活動(dòng)的波動(dòng)，并將其與腦電圖數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)相對(duì)應(yīng)。

- Nick Matej -

研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這些血流波動(dòng)在大腦中有不同的時(shí)空模式，這說(shuō)明當(dāng)我們?nèi)胨瘯r(shí)，一些區(qū)域比其他區(qū)域更早進(jìn)入睡眠狀態(tài)。例如，在他們的分析中，丘腦是第一個(gè)顯示與睡眠相關(guān)的血液流動(dòng)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(bào)告稱，在進(jìn)入睡眠的過(guò)渡期間，該區(qū)域可能比其他區(qū)域更早關(guān)閉。

他們?cè)跍y(cè)量志愿者醒來(lái)時(shí)的大腦活動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)時(shí)空模式。例如，大腦的額葉皮質(zhì)區(qū)可能是最先醒來(lái)的區(qū)域之一。宋晨說(shuō)，這與研究人員之前部分基于動(dòng)物研究、但主要基于理論推理[6]的想法[7]不同，因?yàn)檫@些區(qū)域與認(rèn)知處理有關(guān)，“并且很多時(shí)候當(dāng)你醒來(lái)時(shí)，你（可能）感覺(jué)你完全無(wú)法集中精力?！比欢纬砍姓J(rèn)，在fMRI掃描中睡覺(jué)“非常不自然”，人們可能睡眠較輕，才導(dǎo)致了這些觀察結(jié)果。

- Nick Matej -

范德堡大學(xué)的電氣工程師卡蒂·張（Catie Chang）未參與此研究，但她說(shuō)，這項(xiàng)研究為在局部層面研究大腦提供了“一個(gè)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(huà)面”，來(lái)理解我們睡著時(shí)大腦發(fā)生了什么。

使用fMRI監(jiān)測(cè)局部睡眠也可能有助于提高我們對(duì)睡眠障礙的理解?？ǖ佟堈f(shuō)，舉個(gè)例子，研究人員可以開(kāi)始探究“沒(méi)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(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)尤其適合用于理解局部睡眠和局部清醒是否對(duì)人類(lèi)有任何意義，因?yàn)槟壳啊拔覀儗?duì)此一無(wú)所知”。

審校后記

殷尚墨羽：時(shí)間與空間分辨率的權(quán)衡，是腦科學(xué)研究工作者時(shí)常面臨的問(wèn)題。雖然腦磁圖可以獲得高時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)，但其極其高昂的成本、極其有限的設(shè)備數(shù)量，讓大量科學(xué)家們望而卻步。而將成熟且常見(jiàn)的EEG與fMRI結(jié)合起來(lái)，則可以很好地互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)。這一技術(shù)的難點(diǎn)可能在于材料——傳統(tǒng)EEG設(shè)備離不開(kāi)金屬，而fMRI的強(qiáng)大磁場(chǎng)無(wú)法與之兼容。一旦突破了這層技術(shù)限制，我們將迎來(lái)廣袤的天地：本文提及的睡眠腦功能研究只是一個(gè)開(kāi)始，在未來(lái)，將有更多的腦科學(xué)問(wèn)題得到解答——讓我們拭目以待。

參考文獻(xiàn)

[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(duì)：殷尚墨羽 | 編輯：M.W.

排版：騏跡 | 封面：Nick Matej

來(lái)源：https://www.the-scientist.com/news-opinion/which-neurons-go-to-sleep-first-in-humans-fmri-can-tell-70340

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