非快速眼动（NREM）睡眠通过同步睡眠期间的大脑活动并促进睡眠后的独立神经元放电来提高认知能力。研究人员通过电刺激复制了这些益处，为无需睡眠的治疗和认知增强提供了新的潜力。

这一发现暗示了增强大脑功能的广泛潜力

尽管人们普遍认识到睡眠可以提高认知能力，但这种影响背后的神经机制——尤其是与非快速眼动（NREM）睡眠相关的神经机制——仍然不太清楚。

尽管如此，由美国莱斯大学和休斯顿卫理公会神经系统恢复中心及威尔康奈尔医学院的研究小组在莱斯大学 Valentin Dragoi （瓦伦丁·德拉戈伊）教授协调下开展的一项新研究发现了睡眠增强神经元和行为表现的关键机制，有可能改变我们对睡眠如何增强脑力的根本理解。

这项研究发表在《科学》杂志上，揭示了非快速眼动睡眠（例如午睡时体验到的较浅睡眠）如何促进大脑同步并增强信息编码，为这一睡眠阶段提供了新的见解。研究人员通过侵入性刺激复制了这些效果，表明未来人类神经调节疗法具有广阔的可能性。这一发现的意义可能为睡眠障碍的创新治疗甚至提高认知和行为表现的方法铺平道路。

Valentin Dragoi。图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学

这项研究涉及在 30 分钟的非快速眼动睡眠之前和之后，检查恒河猴执行视觉辨别任务时多个大脑区域的神经活动。研究人员使用多电极阵列记录了三个大脑区域的数千个神经元的活动：初级和中级视觉皮层以及背外侧前额叶皮层，这些区域与视觉处理和执行功能有关。为了确认恒河猴处于非快速眼动睡眠状态，研究人员使用多导睡眠图监测它们的大脑和肌肉活动，同时进行视频分析，以确保它们的眼睛闭上并且身体放松。

研究结果表明，睡眠可以提高动物在视觉任务中的表现，提高辨别旋转图像的准确性。重要的是，这种改善只出现在真正睡着的动物身上——那些在安静清醒状态下没有睡着的恒河猴并没有表现出同样的表现提升。

睡眠中的大脑同步和不同步

“在睡眠期间，我们观察到低频 delta 波活动增加，不同皮质区域的神经元之间同步放电，”第一作者 Natasha Kharas 博士说，她曾是 Dragoi 实验室的研究员，目前是威尔康奈尔大学神经外科住院医师。“然而，睡眠后，神经元活动与睡眠前相比变得更加不同步，从而使神经元更加独立地放电。这种转变提高了信息处理的准确性和视觉任务的表现。”

Natasha Kharas 。图片来源：威尔康奈尔医学院

研究人员还通过对视觉皮层进行低频电刺激来模拟睡眠的神经效应。他们应用 4 Hz 刺激来模拟动物清醒时非快速眼动睡眠期间观察到的 delta 频率。这种人工刺激重现了睡眠后出现的去同步效应，并同样提高了动物的任务表现，这表明特定模式的电刺激可能可用于模拟睡眠的认知益处。

“这一发现意义重大，因为它表明睡眠的一些恢复和提高表现的效果可能无需实际睡眠即可实现，”研究合著者、莱斯大学电气和计算机工程教授、休斯顿卫理公会大学罗斯玛丽和丹尼尔·J·哈里森三世神经假体学总统杰出讲席教授、威尔康奈尔大学神经科学教授 Dragoi 说道：“在清醒状态下重现睡眠中神经去同步的能力为在无法睡眠的情况下提高认知和感知表现开辟了新的可能性——例如对于患有睡眠障碍的人或在太空探索等特殊情况下。”

睡眠对认知有益的机制

研究人员通过构建大型神经网络模型进一步验证了他们的发现。他们发现，在睡眠期间，大脑中的兴奋性和抑制性连接都会变弱，但它们的变化并不对称，抑制性连接比兴奋性连接弱，从而导致兴奋性增加。

德拉戈伊指出：“我们发现了大脑在睡眠后采用的一个令人惊讶的解决方案，即参与任务的神经群体在睡眠后会降低其同步水平，尽管在睡眠期间会接收到同步输入。”

NREM 睡眠能够以这种方式有效“增强”大脑，而且这种重置可以被人工模仿，这一观点为开发治疗性大脑刺激技术以改善认知功能和记忆力提供了潜力。

“我们的研究不仅深化了我们对睡眠在认知功能中的作用的机制理解，而且还通过表明特定模式的大脑刺激可以替代睡眠的某些好处而开辟了新局面，这表明未来我们可能会不依赖睡眠本身来增强大脑功能。”德拉戈伊强调。

这项研究得到了美国国家眼科研究所拨款 5R01EY026156（VD）和 5F31EY029993（NK）的支持。

参考文献：Natasha Kharas、Mircea I. Chelaru、Sarah Eagleman、Arun Parajuli 和 Valentin Dragoi 撰写的“NREM 睡眠通过使皮质回路不同步来改善行为表现”，2024 年 11 月 21 日，《科学》。DOI：10.1126/science.adr3339