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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。
清醒时临界性会遭到破坏,而睡眠时会恢复临界状态
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
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