广泛认为睡眠对认知能力有益，但具体的神经过程——尤其是与非快速眼动（NREM）睡眠相关的过程——并没有得到充分理解。然而，最近由霍斯顿大学拉斯大学、休斯顿卫理公会神经系统修复中心以及威尔康奈尔医学院的研究人员进行的一项研究，由拉斯大学的瓦伦丁·德拉戈伊领导，确定了一个重要机制，通过这一机制，睡眠改善了神经元和行为表现。这项发现可能会显著改变我们对睡眠如何增强大脑功能的基本理解。
该研究发表在Science期刊上，揭示了NREM睡眠——在小睡中经历的较轻睡眠阶段——如何促进大脑同步并改善信息编码，为这一睡眠阶段提供了新的见解。研究人员能够通过侵入性刺激复制这些结果，这为未来的人类潜在神经调节治疗打开了新的方向。这一发现具有重要意义，可能导致新的睡眠障碍治疗方法，以及提高认知和行为能力的策略。
研究涉及监测猕猴在进行视觉辨别任务前后30分钟NREM睡眠期间的神经活动。研究团队使用多电极阵列记录了数千个神经元的活动，覆盖三个重要的大脑区域：初级视觉皮层、中级视觉皮层和背外侧前额叶皮层，这与视觉处理和执行功能相关。为了确保猕猴确实处于NREM睡眠状态，他们利用多导睡眠监测法追踪大脑和肌肉活动，并使用视频分析确认动物闭眼且放松。
结果显示，睡眠使视觉任务的表现有所提高，特别是在准确区分旋转图像的能力上。值得注意的是，这种表现的提升仅在那些确实入睡的猕猴中观察到；而那些保持安静清醒状态的猕猴则没有类似的改善。
“在睡眠期间，我们注意到低频δ波活动增加以及不同皮层区域之间神经元放电的同步，”首席作者、德拉戈伊实验室的前研究人员、现为威尔康奈尔神经外科住院医生的娜塔莎·卡拉斯博士表示。“睡后，神经活动相比于睡前变得更加不同步，使得神经元能够更加独立地放电。这一变化促进了更好的信息处理和视觉任务的表现。”
研究人员还通过向视觉皮层施加低频电刺激来模拟睡眠的神经效应。通过在动物清醒时用4赫兹的刺激模拟δ频率，他们获得了类似于睡眠后的不同步神经效应，这也改善了动物在任务上的表现。这表明，靶向电刺激可能会复制与睡眠相关的认知优势。
“这一发现具有重要意义，因为它表明，睡眠的一些修复和提升表现的效应可能在不实际入睡的情况下实现，”德拉戈伊评论道，他是这项研究的合著者，也是拉斯大学电气与计算机工程的教授，同时在休斯顿卫理公会和威尔康奈尔担任职务。“在清醒状态下实现类似睡眠的神经不同步的能力，为在没有睡眠的情况下增强认知和感知功能打开了新可能性，例如对于睡眠障碍患者或在太空旅行等挑战性情况下的人们。”
研究团队进一步探讨了他们的发现，通过构建一个大型神经网络模型。他们发现，在睡眠期间，大脑内兴奋性和抑制性连接都减弱，但这一过程并不均匀——导致抑制性连接的减少大于兴奋性连接，从而导致兴奋性增加。
“我们发现大脑在睡后使用了一个出乎意料的策略，在完成任务的神经群体在睡后降低了其同步性，即使它们在睡眠期间接收了同步输入，”德拉戈伊解释说。
NREM睡眠作为大脑“增压器”的概念，以及这种重置可以被人造复制，暗示着开发旨在增强认知能力和记忆的脑刺激治疗的潜力。
“我们的研究不仅丰富了我们对睡眠如何影响认知功能机制的理解，还通过证明特定的脑刺激模式可以替代一些睡眠的益处，为建立新的途径奠定了基础。这指向了一个未来，我们可能在不依赖睡眠的情况下增强大脑功能，”德拉戈伊总结道。
这项研究得到了国家眼科研究所的支持，获得了5R01EY026156（V.D.）和5F31EY029993（N.K.）的资助。
