在自然界中，海豚、白鲸、海狗和军舰鸟等动物拥有一项独特的半脑睡眠技能：每次只让一半大脑进入睡眠状态，另一半则保持清醒，持续监测环境、维持游动或飞行动作。对人类来说，这样的睡眠方式实在难以想象。
6 月 8 日，一项发表于《自然·神经科学》（ Nature Neuroscience ）的研究揭示，小鼠甚至人类的大脑，可能同样具备在清醒时“补觉”的潜力。美国威斯康星大学麦迪逊分校（UW–Madison）的研究团队在清醒小鼠大脑中，通过光遗传学技术诱导出特定的神经活动节律，触发了通常只在睡眠期间才会发生的神经连接重整，并消除了睡眠剥夺对记忆任务的影响。
该工作从神经科学的角度，进一步揭示了人类睡眠的修复机制，也为未来对睡眠进行可控调节奠定了理论基础。想了解更多关于科技前沿的深度讨论，不妨常去 开发者广场 看看。
睡眠的本质
2003 年，UW–Madison 的神经科学家基娅拉·奇雷利（Chiara Cirelli）与朱利奥·托诺尼（Giulio Tononi）提出了“突触稳态假说”（SHY）。该假说认为，清醒时的学习和经验会让大脑皮层中大量突触净增强，这种状态无法长期持续。
在成人睡眠中，NREM 睡眠约占总时长的 80%，在此期间，神经元群体会在高活动（on 期）和集体沉默（off 期）之间交替。这一阶段的核心功能之一，是对构成记忆的神经元连接进行评估，大脑会保留用于长期存储记忆的重要连接，修剪不太必要的连接，并为次日建立新的连接腾出空间。
2017 年，路易莎·德维沃（Luisa de Vivo）等人通过实验，为这一假说提供了有力支持。研究者用三维电子显微镜测量小鼠运动和感觉皮层中近 7,000 个突触，结果发现，睡眠后突触界面平均缩小约 18%，收缩幅度与突触初始大小成比例，符合突触稳态假设的预期。
二十多年来，科学家一直想找到驱动突触下调的关键环节。2011 年，基娅拉团队发现，长时间清醒的大鼠在整体保持清醒的同时，个别皮层区域会出现类似非快速眼动（NREM）睡眠的短暂“off 期”：神经元集体沉默、局部脑电出现慢波。
接着，他们在人类睡眠剥夺者身上也观察到了类似现象。这证明，人类大脑存在自发局部睡眠，全脑无需保持统一的清醒与睡眠状态。但由于前期观察过于零星、短暂，无法判断其是否真正执行了睡眠功能。
生物学家早就发现，海豚、白鲸、绿头鸭等物种能够让两个脑半球交替进入慢波睡眠。这种状态可以使动物们在高警觉状态下进行大脑修复，同时不对认知造成损害。不过，这一功能基于它们拥有特化的神经解剖结构。那么，对于缺乏此类结构的小鼠甚至人类而言，能否通过人工实现类似效果呢？
在清醒的大脑里“强制运行”睡眠程序
研究者结合光纤植入和基因改造技术，在清醒小鼠中诱导 NREM 睡眠模式。光遗传学策略分为两种，其一是激活皮层中的生长抑素阳性中间神经元，作为自然睡眠慢波的关键参与者，这类神经元的激活会广泛抑制周围神经元，产生 off 期。另一种则通过直接抑制具有兴奋性的锥体神经元，从另一条路径制造 off 期。最终，在人工干预下，神经元群体可以每秒一两次的频率在 on 期和 off 期间交替，这正是 NREM 慢波的微观特征。
小鼠先正常生活 48 小时，记录基线脑电。第二天光照开始后，研究人员通过引入新奇物体让小鼠保持清醒 5 小时；在剥夺睡眠的最后 30 分钟，研究者在同一只小鼠的大脑两侧对称位置同时记录神经活动，其中一侧诱导节律性的开关活动，模拟 NREM；另一侧作为内部对照。
结果显示，睡眠剥夺结束后，小鼠真正入睡时，人为诱导产生 on/off 活动的大脑皮层，其慢波活动（SWA，反映睡眠压力的指标）显著低于对侧未受刺激区域。神经元放电的同步性也相应降低。这表明在清醒状态下，被刺激的脑区已部分完成了原本应在睡眠中进行的任务。几小时之后，两侧差异逐步消失，双侧大脑均未出现永久性损伤。
在对照实验中，研究人员使用海洛紫质（halorhodopsin，一种可被光激活的氯离子泵）持续抑制神经元放电，使小鼠一侧大脑的局部放电率降低，但不产生开关交替。结果显示，在后续睡眠中，该侧的慢波活动、神经同步性、慢波幅度都没有发生变化。在生长抑素阳性小鼠中用持续正弦波刺激进行同体对照，也得到了一致的结论。
据此，研究者证实，整体活动水平降低无法减轻睡眠压力，on/off 节律才是睡眠恢复神经元功能的关键环节。
在分子层面，研究者检测了两种兴奋性突触强度的关键标记物。结果显示，接受 on/off 诱导的一侧皮层，两种标记物的水平都显著下降，这一趋势与小鼠经历 6 到 7 小时自然睡眠后观察到的变化一致。
在行为层面，研究者对小鼠双侧感觉运动皮层同时进行 1 小时的 on/off 诱导，以检验其对依赖睡眠的记忆任务的影响：小鼠在第一天熟悉一种地面纹理；24 小时后被放回笼中，此时，笼内一半地面变成了新纹理，如果小鼠记住了原先的地面纹理，通常会在新纹理一侧停留更久。
结果显示，在学习后自由睡觉的小鼠表现良好；被剥夺睡眠 1 小时的小鼠表现显著变差；但被剥夺睡眠 1 小时、同时在双侧感觉运动皮层接受 on/off 诱导的小鼠，其表现恢复到与正常睡眠组相当的水平。
睡眠可知论：我们离“不睡觉”的未来还有多远？
这项严格控制变量的研究为突触稳态假说提供了关键的因果性证据。在保持小鼠清醒的同时，仅在局部诱导 on/off 模式，就观察到了与自然睡眠相同的下游效应。此外，研究人员在实验中，把局部睡眠现象从被动的、病理性的观察，推进至主动可控的系统性干预，并证实其能替代睡眠的部分功能。
不过，研究中使用的侵入性光遗传技术，离在人类脑中应用还有很大距离。局部 on/off 诱导替代的只是部分睡眠功能。对于跨脑区的全回路记忆系统整合等高层级任务来说，全脑层面的感觉运动断连可能依然是必要的。因此，即使能局部“补觉”，我们依然无法完全摆脱睡眠。
未来，团队希望探索使用经颅刺激等非侵入性手段，在人体中重现类似效果。此前已有学者在证实，经颅磁刺激（TMS）可在已入睡的人身上触发慢波。近年来，一系列闭环经颅交流电刺激（tACS）研究也显示，匹配内源性节律的刺激可增强睡眠期间的慢波活动，并在某些条件下改善记忆。但这些技术目前的能力仅限于增强已经发生的睡眠慢波，要想在清醒大脑中精确诱导 on/off 模式，还有许多基础技术问题需要解决。
很遗憾，这项研究没能提供当下可行的压缩睡眠方案，但它将睡眠视为一种可被识别、被分解，原则上可以被部分提取的神经过程，有望重塑我们对睡眠的理解。未来，基于这一理论，我们或许真能精准调控自己的睡眠，并通过对应策略，治疗认知衰退等疾病。
参考内容：
https://www.nature.com/articles/s41593-026-02318-9
发表于 2 小时前
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