Science：大腦是如何「屈服」於睡眠的

睡眠是動物的一個普遍特徵：每個神經系統似乎都需要定期地進入放鬆狀態，在此期間大腦活動發生顯著改變。在我們日常生活中，睡眠至關重要，但是科學家們仍然不清楚睡眠到底是怎麼回事。

IMP的神經生物學家Manuel Zimmer領導了一個研究團隊，他們利用秀麗隱桿線蟲詳細地研究了大腦在清醒和睡眠之間轉換的方式。研究結果表明，對於疲倦的動物來說，睡眠是大腦的一種基礎狀態，如果外界環境中沒有強烈的刺激，睡眠狀態就會自發地建立起來。

Manuel Zimmer將這種狀態比喻為在山谷中沉寂的石頭，如果想把石頭抬到山上需要一些努力，但如果不管它的話它就會自己回到山谷。這與喚醒沉睡的秀麗隱桿線蟲相同，使它們的大腦清醒之後，如果它們仍然疲勞且不受影響，就沒會再次回到睡眠狀態。科學家們使用術語「吸引子（attractor）」來描述這個過程。Zimmer說：「我們認為這種吸引子機制是一種有效的方式，像睡眠和清醒整個過程能夠以這種方式在大腦中進行。」

用於睡眠研究的蠕蟲模型

秀麗隱桿線蟲被用於睡眠研究的原因是，它的神經系統只含有302個神經元。它們很小，但是可以利用先進的顯微鏡技術觀察到所有神經細胞的活動，達到單個細胞的精度。當我們監測大腦在睡眠和清醒之間轉換的重新配置時，這是我們獲得新發現的關鍵。

科學家們面臨的另一個挑戰是對蠕蟲在進入睡眠和醒來時進行控制。博士生Annika Nichols和Tomá? Eichler建立了一個有趣的實驗系統，利用氧濃度變化作為開關。在秀麗隱桿線蟲的自然棲息環境中，富含各種微生物的土壤使氧含量很低。研究人員發現，如果秀麗隱桿線蟲疲勞的話，在這種環境中它們會感覺到舒適並且會進入睡眠。Nichols和Eichler發現，富含氧氣的新鮮空氣會使睡眠的動物清醒，使它們快速醒來。Nichols說：「在我們的實驗中，這是一種使蠕蟲在睡眠和清醒狀態之間轉換的有效方法。」

衡量疲勞程度的神經指標

Nichols在使蠕蟲在睡眠和清醒狀態之間轉換的同時記錄了大腦中所有神經元的活動。她發現，在睡眠期間，大部分在清醒時非常活躍的神經細胞都會安靜下來。然而，一些特定類型的神經細胞仍然保持警覺狀態。其中一種神經細胞被稱為RIS，過去的研究表明，它能夠分泌一種睡眠物質促進睡眠。Nichols發現，清醒的動物在容易進入睡眠的狀態時，RIS的活動就已經提升了，也就是說RIS可以作為衡量大腦疲勞程度的指標。

睡眠是大腦默認的吸引子狀態

在監測進入睡眠的大腦活動時，Nichols收穫了一項有趣的發現：她的計算機分析表明，神經網路的活動自發進入了一種安靜平穩的狀態。最初，研究人員認為是RIS細胞強制神經系統進入休眠狀態，就像樂隊的指揮讓樂隊停止一樣。然而，數據分析表明，RIS的作用似乎更像一個調停者，它負責平息大腦中所有相關方的爭論，之後所有參與者採取一致性行動。這種方法的好處在於，清醒和睡眠之間的劇烈變化可以相當精確地利用大腦中的一些「調節旋鈕」來觸發。

儘管線蟲和人類的大腦存在很多差異，但是這些研究結果也為研究大腦組織的基本問題提供了非常有前途的模型。

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