精神

Nature:睡眠时左右脑竟然会“打架”,直至一方“打败”另一方,整晚来回交替!

作者:BioMed科技 来源:BioMed科技 日期:2023-05-15
导读

         睡眠是一种无处不在的行为,虽然千百年来技术迭代不断,但人们对睡眠的功能、进化和潜在机制仍然知之甚少,这一广泛存在的现象仍缠绕着无尽的谜团。我们的大脑由称为半球的两半组成,它们使用穿过中线的专门纤维束相互通信。虽然每个半球都倾向于处理身体另一侧的感觉(视觉、听觉、触觉)和运动控制,但由于半球间持续的交流,我们通常不会意识到这种功能划分。在人类中,两个半球也专门负责某些功能:例如,语言区域通常位于左

关键字:  睡眠 

        睡眠是一种无处不在的行为,虽然千百年来技术迭代不断,但人们对睡眠的功能、进化和潜在机制仍然知之甚少,这一广泛存在的现象仍缠绕着无尽的谜团。我们的大脑由称为半球的两半组成,它们使用穿过中线的专门纤维束相互通信。虽然每个半球都倾向于处理身体另一侧的感觉(视觉、听觉、触觉)和运动控制,但由于半球间持续的交流,我们通常不会意识到这种功能划分。在人类中,两个半球也专门负责某些功能:例如,语言区域通常位于左半球。

        大多数动物(鸟类、爬行动物、两栖动物、鱼类、昆虫、软体动物等)与人类一样,双侧对称,并拥有双侧对称的大脑。鉴于此,德国马普所大脑研究所的Lorenz Fenk、Luis Riquelme 和 Gilles Laurent研究了澳大利亚的鬃狮蜥蜴(胡须龙Pogona vitticeps)睡眠。在睡眠的一个阶段,Pogona大脑的两半相互竞争,以致于一方将其活动强加于另一方,直到主导半球切换到另一方,在整个夜晚来回交替。相关研究成果以题为“Interhemispheric competition during sleep”发表在最新一期《Nature》上。

 

        详细而言,Pogona 的睡眠分为两种状态,类似于哺乳动物(包括人类)所描述的状态:所谓的慢波睡眠阶段(SWS),脑电图显示低频波,和第二阶段,称为快速眼动(REM)睡眠或反常睡眠,其中脑电图类似于清醒状态下记录的(因此“反常”),并且眼睛倾向于在眼睑下进行急促的运动(因此 REM),眼睛倾向于在眼睑下做抽搐运动(因此为REM),而身体则处于麻痹状态。

        在人类中,睡眠从一个长的慢波阶段(大约 60 分钟)开始,然后是 5-10 分钟的快速眼动,这个交替循环再次开始,每晚 5-7 次。随着时间的流逝,REM 睡眠的比例在每个睡眠周期都会增加。在Pogona中,睡眠周期要短得多(不到 2 分钟),并且整个晚上两种睡眠状态的持续时间相等(各 45-60 秒)。Pogona每晚要经历 250-350 次这样的睡眠周期,有规律地在慢波睡眠和快速眼动睡眠之间交替。

 

        Figure 1. 胡须龙大脑在睡眠期间的半球间竞争

        通过同时记录 Pogona 大脑两侧同一区域(称为屏状核)的神经元活动,科学家们发现在睡眠的慢波阶段,每一侧都独立于另一侧运作。然而,令他们惊讶的是,两侧在快速眼动期间变得精确同步,但左右脑之间有 20 毫秒(一毫秒是千分之一秒)的非常短的延迟。更令人惊讶的是,他们发现领先另一侧 20 毫秒的一侧平均每个睡眠周期在左侧和右侧之间切换一次。通过比较快速眼动期间左侧和右侧屏状体记录的信号强度,他们还观察到具有更强活动的一侧通常是领先的一侧。这与他们论文中提出的其他证据一起表明,大脑的两侧在快速眼动睡眠期间相互竞争,但在慢波睡眠期间不会,并且在竞争时,较强的一侧将其活动强加给另一侧。这种竞争形式称为赢家通吃。

        有趣的是,虽然左右两侧在整个晚上起主导作用的时间大致相等(各占睡眠周期的一半左右),但两侧之间的转换并不完全发生在每个睡眠周期中。此外,在晚上的最后几个小时,一侧之间的转换变得不那么频繁,在许多连续的周期中,一侧支配另一侧,然后再将主导权让给另一侧。这表明几个睡眠控制电路的存在和相互作用,每个都有不同的时间尺度,以及其中一些时间尺度在整个晚上的系统演变;这表明无论睡眠在这些动物身上发挥什么作用,不同的机制可能在深夜起作用,并产生不同的结果。

        为了了解在REM睡眠期间大脑的两侧如何相互作用和相互竞争,科学家们发现这种竞争不是由于左右claustra之间的直接相互作用,而是由于在大脑更深处发现的回路,在中脑和后脑的交界处。这些所谓的峡部回路存在于所有脊椎动物中,包括哺乳动物和人类,并且在鸟类中得到了特别深入的研究。它们已被证明对清醒的鸟类(猫头鹰和鸽子)的某些形式的视觉注意力很重要。通过仅在Pogona大脑的一侧损伤这些峡部回路的一个组成部分,作者能够取消一侧优势的定期转换,导致完整的一侧在整个晚上(以及随后的一侧)支配另一侧。

        【小结】

        虽然这项研究中涉及的回路组件(屏状核、中脑和峡部)存在于包括人类在内的哺乳动物中,但尚不清楚在人类的快速眼动睡眠期间是否也会发生类似的竞争性相互作用。睡眠的机制和功能是复杂的,并且在任何动物中仍然知之甚少。爬行动物的这些新结果为睡眠动力学和功能的重要问题增加了新的复杂性。例如,在REM睡眠期间,双边竞争的功能相关性是什么?在清醒状态下,中脑回路和前脑幽门之间的活动是如何协调的?以及在调节REM和SWS之间的过渡中,等神经回路的作用是什么?

        原文链接:

        https://www.nature.com/articles/s41586-023-05827-w

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