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睡眠不一定是整個大腦行為

圖中這只大鼠沒有看起來那麼機警。

閉著眼睛、無任何反應、流著口水,這是公認的最易辨別的睡眠狀態。但是,睡眠與覺醒之間的區別並非我們所想像那麼清晰。

自然雜誌發表的研究文章指出,看上去呈清醒狀態的老鼠,大腦皮層某些神經元有時出現短暫「斷開」。這些區域的神經活動模式與非快速眼球運動(non-rapid eye movement (NREM) )睡眠時的神經活動模式相似。「老鼠儘管處在清醒狀態,但大腦皮層卻有少量局部睡眠。」

負責該項研究的美國威斯康星-麥迪遜大學神經科學家朱利奧•托諾尼(Guilio Tononi)如此說。 研究團隊採用多種技術測量了大鼠腦中局部和整體的場電位。通過把微電極陣列插入大腦額葉皮層、頂葉皮層深層的方法,研究人員測量了局部神經電活動。他們還用腦電圖(EEG)顯示了大腦的整體神經活動,例如非快速眼球運動(NREM)睡眠中可見的慢波。在慢波活動期間,神經元在「開」跟「關」狀態間振盪,但通常處於「關」狀態。

托諾尼和他的同事記錄了許多組神經元的電活動,結果顯示,老鼠在長時間保持覺醒狀態後整個大腦皮層的神經元會隨機地處於「關」狀態。他說:「如果我們觀察整個大腦,就如觀看水沸騰狀態一樣。清醒時候,就像水還沒沸騰,所有神經元處在「開」的狀態,而疲倦後神經元的「關」狀態就如沸騰的水泡;至於水泡出現在何處就無法預測了。」 過去認為,完全清醒狀態下是不會出現睡眠狀態下的慢波,但這項新研究發現,清醒狀態也有非常局部的慢波發生。

美國康涅狄格州耶魯大學神經生物學家大為•麥考密克(David McCormick)說:「這種現象可叫做皮層閃爍現象,大腦皮層某一部位短暫關閉而中斷神經信號處理。」

打盹的神經元

打盹的神經元會影響動物的行為動作。若長時間不給老鼠睡覺,讓它一直保持清醒狀態,則處於「關」狀態的神經元數目增多,此時老鼠面對複雜困難任務,如通過樹脂籠子裡一條溝槽捕捉糖果時,它的認知能力下降。 托諾尼認為,我們通常把睡眠當成全腦現象,相對而言,局部神經元斷開的存在「更為隱蔽,因為我們不知道有這種情況發生。」對人來說,這可用來解釋為什麼睡眠剝奪會降低判斷力。」

有趣的是,托諾尼與他的同事本月上旬提出報告說,即使在「全腦」睡眠時慢波也是發生在局部、特定區域的。他們用深電極在人們經受外科手術的一些腦區記錄腦電圖和局部神經元活動情形,發現慢波會從前額葉皮層經由顳葉傳到海馬。托諾尼說:「即便是在睡眠時,慢波的範圍也比預想的更局部。」

綜上,這些發現告訴我們,科學家以前對清醒和睡眠狀態的認識可能過於簡單。瑞士蘇黎世大學睡眠研究員皮特•阿克曼(Peter Achermann)說:「如果這兩種現象都存在,即清醒時局部睡眠和睡眠時局部清醒,那麼就得重新思考我們對睡眠的定義。」

重新定義

美國明尼蘇達州地區睡眠失調醫療中心主任馬克•馬霍瓦爾德(Mark Mahowald)說:「這篇論文清楚地證實了過去的一個猜測,即睡眠可以發生在大腦的一部份,而同時大腦的其他部分處在清醒狀態。正如我們臨床所見到的。」他補充說,夢遊病就是最好的例子,我們可以在夢遊上看到同時具有清醒與睡眠兩種狀態時會導致複雜的行為。

托諾尼承認說:「我們的研究不是給睡眠重新定義,我們根據行為特徵已經對睡眠有很好定義。但是我們的工作確實說明現在的定義對描述分離狀態也許並不完整。」

這一工作有助於我們更好地理解睡眠的功能,而這也是托諾尼研究團隊的長期目標。他說:「我們猜測睡眠與神經元連接有關,因為我們發現,睡眠時有神經元連接網絡的強化。」睡眠貌似是用來重新校準大腦突觸活動的時間,所以,他要確定在清醒的大腦中打盹的神經元是否具有保護、恢復健康的作用還是僅僅會帶來有害的作用。

來源:《自然》網站4月27日報導

renard 審稿 / 來自科學松鼠會資訊小分隊

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