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半脑睡眠模式:人也能睁一只眼闭一只眼睡眠?

2016-09-11 22:05 程序员之家

来源于:科学网

原文链接:http://www.citnews.com.cn/news/201609/21599.html


睡眠是哺乳动物、鸟类和鱼类等普遍存在的休息状态,其典型特征包括主动躯体运动减少、对外界刺激反应减弱、同化作用增强和异化作用降低。

关于睡眠的许多现象和睡眠发生分子基础,仍然存在许多未解之谜,一直吸引科学家努力求解。多数人认为,睡眠和觉醒是相互独立的两个状态。

而水生哺乳动物、鸟类和爬行类动物睡眠则能闭一只眼睁一只眼,控制睁开眼一侧大脑实际没有入睡,仍处于觉醒状态。最新研究发现,人类也具有类似的半脑睡眠模式。

睡眠过程中警惕性下降,会让动物付出沉重代价。因此,为减少因睡眠导致的危险,动物进化过程中获得一些克服睡眠危险的能力,其中一种就是降低睡眠深度,一些动物进化出半睡半醒能力,就是只有一侧大脑半球处于睡眠状态,另一侧保持觉醒状态。

利用脑电图的研究显示,处于睡眠状态,大脑半球符合典型的睡眠脑电表现,而处于觉醒状态的另一侧大脑半球出现典型的觉醒脑电特征。研究发现,这种单侧大脑睡眠单侧觉醒的睡眠模式在生物界非常普遍,从鸟类、爬行动物,到哺乳动物,尤其是海洋哺乳动物如鲸鱼等都有这种能力。



同样是半脑睡眠模式,生物学意义并不一样。海洋哺乳动物鲸类的耳海豹和海牛半脑睡眠模式主要是为了防止溺水,半脑睡眠可以让这些水生哺乳动物能在睡眠状态下游泳和浮出水面呼吸空气。鸟类则可以在飞行过程中保持导航能力和警惕天敌袭击。池塘附近定居过夜的鸭群,分布在鸭群周边的个体利用半脑睡眠模式发挥岗哨作用,而处于鸭群中央区域的个体都自信地闭上双眼。

人类是否也存在类似鱼类和鸟类的情况,可以一侧大脑睡眠一侧大脑休息吗?美国布朗大学Masako Tamaki等猜测,如果人类也会这种睡眠,应该是处于相对危险的环境,在危险环境下保持一侧大脑处于清醒状态有利于让个体处于警觉状态,有利于处于危险环境的群体避免受到外来伤害。这对古代野外生存的人类来说属于常态和正常能力。

在睡眠研究领域,一种比较典型的现象被称为“首晚效应”,首晚效应是指无睡眠紊乱者在睡眠实验室第一个测试夜晚常出现失眠的现象。“首晚效应”不仅是睡眠受试者在睡眠实验室的现象,其实普通人外出旅游过程,第一夜往往难以入睡,也就是“首晚效应”作怪。



科学家估计,“首晚效应”是因为人类对陌生和潜在危险环境的默认警觉反应。因为存在“首晚效应”,关于睡眠的研究一般不使用首夜的睡眠数据。Tamaki等认为,这种“首晚效应”或许是研究人类面对陌生危险环境睡眠模式的理想模型,利用这样的思路,布朗大学研究小组比较了不同睡眠情况下,人类受试者的睡眠深度和脑电和磁信号,结果发现人类睡眠也存在左右大脑半球的差异,研究结果最近发表在《当代生物学》上。

Tamaki和同事使用“首晚效应”作为潜在威胁模型。“首晚效应”导致人在新环境不易入睡、睡眠深度浅、易醒等问题,而此后睡眠往往会明显改善。根据这个现象,许多关于睡眠的实验室研究都将第一晚数据排除,只从第二天开始作为研究数据。最新研究反其道而行之,对首晚睡眠数据和次日数据进行比较,结果发现人类半脑睡眠现象也出现在首夜,或者说所谓“首晚效应”的本质是一种人类的半脑睡眠现象。

为了分析大脑的活动,研究人员用脑电图和脑磁图分析大脑神经元活动产生的电和磁信号,对采集的脑磁图数据进行分析后发现,首夜和次夜非快眼动睡眠的脑磁图数据存在明显差异,首夜受试者出现慢波活动两侧大脑不对称现象,次夜睡眠没有这种现象。

慢波活动反映睡眠深度,数据显示受试者左侧大脑半球的睡眠深度低于右侧,次晚两侧大脑半球的睡眠深度都比较深。出现的一侧大脑慢波活动下降的大脑区域在功能上存在联系,都属于默认神经网络。两侧差异比较大的受试者入睡更困难,提示这些受试者首晚存在兴奋行为。



研究结果提示,左侧大脑在首晚不容易入睡,可能是“首晚效应”的内在基础。难道左侧大脑在新环境中需要处于警觉状态?

为回答这个问题,研究人员用一组重复音调刺激刚入睡的受试者,在这组声音中偶尔会出现不同其他的古怪声音,将大脑对古怪声音的反应作为警觉指数。在首夜第一次小睡时,右耳(左脑)对古怪声音的反应敏感度是左耳(右半球)的3倍,高于比次晚双层耳朵的反应。听到古怪声音后受试者会产生一段时间的兴奋才能再次入睡,这一兴奋持续时间右耳是左耳的6倍。最后受试者被要求用敲手指表示听到声音,发现在首夜受试者右耳听到声音并做出敲手指动作的次数高于左侧和次夜。



这些研究结果提示,在一个新的环境中,人类不容易入睡的原因是因为左大脑半球比平时更警惕。论文作者认为,这是人类在进化过程中保留下来的一种能力,这种睡眠警觉性好的个体在群居时代有利于保护群体的安危。虽然在鸟和其他哺乳动物存在双侧大脑一侧睡眠一侧清醒的情况,但是这是第一次用研究证据证明人类也存在类似的情况。

当然关于这个发现,仍然存在许多问题,例如为什么警觉侧大脑兴奋区域局限在默认网络,而不是注意网络。如果单侧大脑兴奋是负责保持警觉,为什么是左侧大脑,而不是擅长空间定位的右侧大脑。

应该承认的是,这项研究对克服在陌生环境下睡眠障碍的问题提供了研究基础,人们可以根据这一现象设计一些刺激和调节大脑功能的器材和药物。

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