半梦半醒之间:大脑控制睡眠的秘密

睡眠通常被人们认为是一种彻底的状态:大脑要么就是彻底的醒着,要么就是完全的睡着。然而,MIT神经学家最近发现了一种大脑电路,它可以让大脑小部分的区域保持睡眠降低警惕,而其他部分则保持清醒。 这种电路起源于一种叫做丘脑网状核(TRN)的大脑构造,后者将信号传递至丘脑,继而是大脑皮层,缓滞传递速度,并使脑电波摆幅具有深度睡眠的特征。缓慢的震荡还出现在昏迷、通常意义的麻醉上,联同兴奋度的降低一起。有了足够的TRN活动,这些电波可以覆盖整个大脑。 研究员相信TRN也许可以通过协调大脑不同区域的电波来帮助大脑稳固新的记忆,,让它们更容易地共享信息。 「在睡眠之中,也许特定的大脑区域内同时有着缓慢的电波,因为他们需要彼此交换信息,而其他部分则没有。」Laura Lewis是MIT大脑与认知科学学院的研究员,也是这项新研究在eLife发表的文章中的第一作者。 TRN也许还是大脑在失眠者试图保持清醒中经历「分神(zoning out)」这种短暂状态中大脑所发生的活动的缘由,研究员指出。 论文的另一个第一作者是Jakob Voigts,一个MIT大脑与认知科学的研究生。通讯作者有Emery Brown,MIT医学工程与计算神经学的Edward Hood Taplin教授与麻省综合医院的麻醉学者;Michael Halassa是纽约大学的助教。其他作者还有MIT的研究员Francisco Flores与Matthew Wilson,MIT神经生物学的Sherman Fairchild教授,并且是Picower学习与记忆机构的成员。
区域控制
直至现在,大部分睡眠的研究都集中于整个大脑的控制,即整个大脑都在缓慢电波的沐浴下——一系列神经短暂休眠时大脑活跃的震动所产生。 然而,最近的研究表明睡眠被剥夺的动物的大脑中即使是在清醒时,部分区域也会有慢波,这证明了大脑在区域大小上也可以控制警惕行为。 MIT的团队开始了TRN对大脑部分区域清醒或睡眠的控制的调查,因为TRN所处的位置恰好可以让它对睡眠有所作用,Lewis指出。TRN包裹在丘脑外就像一个贝壳,如同一个守门员一样控制着感知信息的进入,并继而将信息传递至皮层以进一步处理。 利用光遗传学,可以让科学家利用光来刺激或熄灭神经活动,研究员发现如果他们在清醒的小鼠大脑中轻微刺激TRN,大脑皮层的小部分区域就会出现慢波,而刺激愈多,其就会扩散到整个大脑。 「我们还发现当你在整个皮层上制造电波时,动物开始表现出困倦的行为。他们会停止运动,肌肉强度开始下降。」Lewis说道。 研究员相信TRN调整着大脑对各个区域的控制,加强或减少特定区域的慢波,以此让这些区域可以与其他部分交流,或者让某些区域在大脑困倦时更加警醒。这也许可以作为当人们失眠或打盹时却并没有完全沉睡的原因。 「我倾向于认为这种现象的原因是大脑开始向睡眠过渡,而一些大脑区域开始变得昏睡,即使你迫使自己清醒。」Lewis说。 「这篇论文的力量在于它是第一个利用光遗传学来试着仔细分析丘脑-皮层电路在皮层产生慢波中的作用。」Mark Opp说道,后者是华盛顿大学麻醉学与疼痛医学的教授,现在并不在研究团队之中。
自然睡眠与麻醉
理解大脑如何控制兴奋可以帮助研究员设计新的助眠与麻醉药物,并创造出更接近于自然睡眠的状态。刺激TRN可以增加深度、非REM(快速眼动)状态的睡眠,Brown和同事在此前的研究揭开了导致REM睡眠的特有电路。 Brown提出,「TRN涉及的突触丰富——大脑内连接——释放出抑制性神经递质GABA。因此,TRN几乎是许多麻醉药物的作用物,鉴于后者中的大部分种类都可以作用于这些突触,并特征性地产生慢波。」 Lewis与同事在此前的研究已经展示了麻醉药品下的慢波与睡眠产生的慢波不同,它们并不协调,证明了为何这些药物阻碍了大脑之间信息的传递,并产生了无意识的结果。   来自mit,机器之心编译出品。编译:Chen Xiaoqing。
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