人类一生中有1/3左右的时间在睡眠中度过。但你是否有过和小编相同的疑问：睡觉这么“浪费时间”的行为，为什么没有被“进化”掉呢？就像食物或饮水一样，睡眠是生物体的基本需求。一个很直观的现象是，人在不吃食物的情况下大约可以忍受三周，不喝水只能忍一周左右，但只要三天不睡觉人就会开始“ 崩溃”。正如华盛顿大学生物学教授Keith Hengen直白的描述：“如果没有睡眠，你会死！”经历过熬夜或欠觉的读者应该都有过类似的感受：在睡眠不足的情况下，我们会明显地感觉到自己“精神不济、行动迟缓”，而长时间的缺乏睡眠更是会直接导致“记忆下降、免疫崩溃”。很明显，睡眠可以缓解困倦，但这个理由不足以完全解释“我们为什么需要睡眠”。在融合了物理学和生物学领域的概念之后，Hengen及其研究团队构建了一套理论，从而更准确且更直观地解释「睡眠的含义」——具体来说，在观察了睡眠期间大鼠的大脑活动之后发现，大脑需要定期重置其操作系统以达到“临界状态（Criticality）”，在这个状态下思维和处理过程会得到优化。更形象地说，大脑就好比一台生物“计算机”。当人处于清醒状态时，记忆和经历便会一点一点地改变“代码”，使得系统慢慢地偏离了理想状态。而睡眠的核心意义在于：重启大脑，使这台“计算机”恢复最佳计算状态。该研究发表在Nature Neuroscience上。
https://doi.org/10.1038/s41593-023-01536-9「临界状态」这个词最早源自物理学领域，用于描述一种存在于“秩序”和“混乱”之间临界点的复杂状态，而接近临界状态的系统会表现出最大化的信息编码和处理能力。鉴于此，研究者开始思考“临界状态”这个原理是否同样适用于神经生物学。2019年的研究中，Hengen及其团队首次发现大脑会积极努力地维持“临界状态”，而临界状态正是神经网络正常运行的标志。在这项研究之后，Hengen试图使用“临界状态”理论来解读睡眠的作用。于是，研究人员对自由行为大鼠的大脑皮层神经元活动进行长达10-14天的连续监测，并根据神经元的尖峰脉冲变化确定了四种行为状态：非快动眼睡眠（NREM）、快动眼睡眠（REM）、主动觉醒和安静觉醒。
在睡眠和唤醒的状态下，视觉皮质动力学在临界状态附近的波动为了量化临界状态的接近程度，研究者建立了“神经元雪崩”的模型。“神经元雪崩”，即在神经网络中追踪到的小级联活动，反映了信息在大脑中的流动方式。在“临界状态”下，往往会出现各种规模和持续时间的雪崩；但远离“临界状态”后，系统会趋向于某一类，要不是小“雪崩”，要不是大“雪崩”。观察小鼠的睡眠-觉醒过程发现，刚从恢复性睡眠中醒来时，小鼠脑内出现了各种规模的“雪崩”；而在整个清醒的过程中，“雪崩”开始向越来越小的规模转变，当规模减小到一定程度之后，也就离睡眠不远了。因此，追踪雪崩的分布也能够预测小鼠何时即将入睡或醒来。因此，“睡眠是系统级问题的系统级解决方案。”这意味着，学习、思考和清醒必须使大脑远离临界状态，但睡眠完全可以重置系统。
综上所述，在通过对自由行为大鼠的大脑皮层神经元活动进行长达10-14天的连续监测之后，研究者搭建了临界状态与大脑状态、行为、环境和时间的函数关系，发现：正常的觉醒行为会逐渐破坏临界性，而睡眠能够使小鼠恢复至临界状态。从一个崭新、合理的方向解释了“睡眠”的重要性。Hengen解释道，每一个神经元都遵循着基本的规则，本质上，神经元近似于一个“开关”，会根据直接的“输入”来决定是否启动。如果数十亿个神经元都能够达到临界状态，它们就能协同合作，共同完成一系列的大脑活动。就像电子产品一样，不重启也容易死机，更何况人的大脑呢？到时间就及时“重启”大脑，早早入睡吧！
参考资料：[1]Xu Y, Schneider A, Wessel R, Hengen KB. Sleep restores an optimal computational regime in cortical networks. Nat Neurosci. 2024 Jan 5. doi: 10.1038/s41593-023-01536-9. Epub ahead of print. PMID: 38182837.[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/1030564
撰文 | Swagpp
编辑 | Swagpp
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