睡眠通常被视为一种非此即彼的状态：大脑要么完全清醒，要么完全入睡。然而，麻省理工学院的神经科学家发现了一种脑回路，它可以促使大脑的小片区域入睡或警觉性降低，而大脑其余部分则保持清醒。
该脑回路起源于一个名为丘脑网状核（TRN）的脑结构。该结构将信号传递至丘脑，再传至大脑皮层，诱发出深度睡眠特有的缓慢振荡脑电波，形成局部区域的此类脑波。缓慢振荡也会在昏迷和全身麻醉期间出现，并与觉醒水平降低相关。当TRN活动足够强时，这些脑波可以席卷整个大脑。
研究人员认为，TRN可能通过协调大脑不同区域之间的慢波，帮助大脑巩固新的记忆，使这些区域更容易共享信息。
“睡眠期间，或许特定脑区同时出现慢波，是因为它们需要彼此交换信息，而其他脑区则不需要，”麻省理工学院大脑与认知科学系研究助理、本项新研究的主要作者之一劳拉·刘易斯（Laura Lewis）说道。该研究今日发表在 eLife期刊上。
研究人员表示，TRN也可能是导致睡眠剥夺者在努力保持清醒时短暂出现“走神”感受的原因。
本文另一位第一作者是麻省理工学院大脑与认知科学专业的研究生雅各布·沃伊茨（Jakob Voigts）。资深作者包括：麻省理工学院爱德华·霍德·塔普林医学工程与计算神经科学教授、麻省总医院麻醉科医生埃默里·布朗（Emery Brown），以及纽约大学助理教授迈克尔·哈拉萨（Michael Halassa）。其他作者包括麻省理工学院研究助理弗朗西斯科·弗洛雷斯（Francisco Flores），以及神经生物学Sherman Fairchild讲席教授、麻省理工学院Picower学习与记忆研究所成员马修·威尔逊（Matthew Wilson）。
局部控制
迄今为止，大多数睡眠研究都集中于睡眠的全局控制，即整个大脑充满慢波时的状态。慢波是指一组神经元短暂沉默时产生的脑活动振荡。
然而，近期研究显示，睡眠剥夺的动物在保持清醒时，大脑的某些部位仍可出现慢波，这表明大脑也能在局部层面控制警觉性。
麻省理工学院团队之所以从TRN入手研究警觉或困倦的局部控制，是因为刘易斯表示，其所处的物理位置使其非常适合在睡眠中发挥作用。TRN像外壳一样环绕丘脑，可以充当进入丘脑的感觉信息的“守门人”，随后丘脑再将信息传递至大脑皮层进行进一步处理。
研究人员借助光遗传学技术（一种让科学家用光刺激或抑制神经元的技术）发现，若对清醒小鼠的TRN施加微弱刺激，大脑皮层的一小部分会出现慢波；刺激强度加大后，整个皮层都会出现慢波。
“我们还发现，当在整个皮层诱发这些慢波时，动物的行为会开始表现出困倦的样子：它们会停止活动，肌张力也会下降，”刘易斯说。
研究人员认为，TRN可对大脑的局部区域控制进行微调，增强或减弱特定区域的慢波，使这些区域之间能够相互通信；或在大脑极度困倦时，促使某些区域的警觉性降低。这或许可以解释人在睡眠剥夺时短暂“走神”而并未真正入睡的现象。
“我倾向于认为，这是因为大脑开始向睡眠过渡，即使你强迫自己保持清醒，某些局部脑区仍会变得困倦，”刘易斯说。
“这篇论文的优势在于，它是首个利用光遗传学尝试剖析丘脑-皮层回路中部分结构在皮层慢波生成中作用的研究，”华盛顿大学麻醉与疼痛医学教授马克·奥普（Mark Opp）说道，他并未参与该研究团队。
自然睡眠与全身麻醉
理解大脑如何控制觉醒，可能有助于研究人员设计新型睡眠药物和麻醉药物，使其诱导的状态更接近自然睡眠。刺激TRN可诱发类似深度非快速眼动睡眠的状态；此前布朗及其同事的研究还发现了一条可启动快速眼动睡眠的回路。
布朗补充道：“TRN中富含突触（即大脑中的连接点），它们释放抑制性神经递质γ-氨基丁酸（GABA）。因此，鉴于许多麻醉药物都作用于这些突触，并将产生慢波作为其典型特征之一，TRN几乎肯定是许多麻醉药物的作用位点。”
刘易斯及其同事此前的研究表明，与睡眠时的慢波不同，全身麻醉下的慢波是不协调的。这为这些药物为何会阻碍大脑间的信息交换并导致无意识提供了一种可能机制。
本文与 MIT News合作发布。刊发本文并不意味着世界经济论坛认同文中观点。
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作者：Anne Trafton，为MIT News特约撰稿人。
图片：与会代表在休息期间小憩。REUTERS/Enrique Castro-Mendivil。
