互道晚安后，哪些神经元先入睡？

原创 Manjarrez 神经现实

在过去的几十年里，科学告诉我们哺乳动物的大脑并不总是完全清醒或完全睡着的。海豚[1]可以在一个脑半球处于睡眠状态而另一个脑半球处于警觉状态时游泳，而睡眠不足的大鼠[2]的一些神经元可以在它们仍然清醒时“关闭”。在人类中，这种所谓的“局部睡眠”（即特定的神经元集群在大脑其余部分保持清醒的情况下小睡）的研究更具挑战性，因为用于追踪其他哺乳动物的侵入性方法不适用于人类。

PNAS[3]7月21日发表的一项研究似乎已经克服了这一困难。通过同时绘制用两种不同方法（一种具有良好的时间分辨率，另一种具有良好的空间分辨率）测量的人脑信号，该团队在局部水平上精确确定了神经元集群的清醒或睡眠状态。这一成就使识别最先入睡或最先醒来的脑区成为可能。专家表示，这有望成为研究人类睡眠的一个重要工具。

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

传统上，研究人类睡眠的方法是使用脑电图（EEG），它通过放置在头皮上的电极来测量大脑的电活动。卡迪夫大学的脑研究员宋晨博士在威斯康星大学麦迪逊分校做博士后时参与了这项新研究，她解释说，脑电图擅长测量快速的变化，但它的空间分辨率非常差。因此，尽管科学家已经从脑电图中了解了很多关于睡眠信号的知识，但这项技术告诉我们的关于局部睡眠的信息很少。

戴着脑电图帽，在模拟的功能磁共振成像扫描仪中的被试

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图片由宋晨提供

宋晨和她的同事们决定将脑电图与一种互补的技术——功能磁共振成像（fMRI）一同使用，后者通过测量大脑中的血液流量来反映神经元活动。宋晨解释说，与脑电图相反，功能磁共振成像不擅长测量短而快速的变化，但它能以立方毫米的分辨率区分大脑活动。研究小组决定探究在脑电图测量中经常发现的典型的睡眠神经信号（慢波及一阵阵被称作睡眠纺锤波的波动）是否可以被功能磁共振成像提供的图像所反映。

该研究小组利用之前的一项研究[4]中收集的数据，分析了36名受试者的大脑活动。这些受试者在fMRI扫描仪中戴着脑电图帽入睡了一小时。通过观察血流活动的波动，并将其与脑电图数据进行比较，宋晨和她的同事发现，典型的睡眠脑电波图像与fMRI记录的血氧反应相对应。

- Nick Matej -

研究人员进一步发现，这些血流波动在大脑中有不同的时空模式，这说明当我们入睡时，一些区域比其他区域更早进入睡眠状态。例如，在他们的分析中，丘脑是第一个显示与睡眠相关的血液流动模式的区域，这一发现与之前基于脑电图数据的研究[5]结果一致——该研究报告称，在进入睡眠的过渡期间，该区域可能比其他区域更早关闭。

他们在测量志愿者醒来时的大脑活动时发现了另一个时空模式。例如，大脑的额叶皮质区可能是最先醒来的区域之一。宋晨说，这与研究人员之前部分基于动物研究、但主要基于理论推理[6]的想法[7]不同，因为这些区域与认知处理有关，“并且很多时候当你醒来时，你（可能）感觉你完全无法集中精力。”然而，宋晨承认，在fMRI扫描中睡觉“非常不自然”，人们可能睡眠较轻，才导致了这些观察结果。

- Nick Matej -

范德堡大学的电气工程师卡蒂·张（Catie Chang）未参与此研究，但她说，这项研究为在局部层面研究大脑提供了“一个新的视角”，并且作者使用的方法可以帮助我们“拼接出一幅更完整的画面”，来理解我们睡着时大脑发生了什么。

使用fMRI监测局部睡眠也可能有助于提高我们对睡眠障碍的理解。卡蒂·张说，举个例子，研究人员可以开始探究“没有入睡困难的健康志愿者与可能有睡眠困难的人”相比有什么不同。宋晨认为，这项技术尤其适合用于理解局部睡眠和局部清醒是否对人类有任何意义，因为目前“我们对此一无所知”。

审校后记

殷尚墨羽：时间与空间分辨率的权衡，是脑科学研究工作者时常面临的问题。虽然脑磁图可以获得高时空分辨率的数据，但其极其高昂的成本、极其有限的设备数量，让大量科学家们望而却步。而将成熟且常见的EEG与fMRI结合起来，则可以很好地互补优势。这一技术的难点可能在于材料——传统EEG设备离不开金属，而fMRI的强大磁场无法与之兼容。一旦突破了这层技术限制，我们将迎来广袤的天地：本文提及的睡眠脑功能研究只是一个开始，在未来，将有更多的脑科学问题得到解答——让我们拭目以待。

参考文献

[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 | 翻译：Arwen

校对：殷尚墨羽 | 编辑：M.W.

排版：骐迹 | 封面：Nick Matej

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

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