▎药明康德内容团队编辑
就像吃饭、喝水一样，睡眠也是我们维持生存的基本需求。良好的睡眠可以帮助我们清洗大脑中的废物、修复DNA损伤、减少细胞组织的炎症并且避免致命的细胞因子风暴……相反，如果长期睡不好觉，我们全身都是崩溃的，各个系统的功能相继退化。其中，大脑受到的影响似乎最为直接——不仅记忆力明显下降，思维也变得更为混沌。
睡眠究竟能为大脑带来怎样的变化？对科学家来说，这个问题并没有想象中的那般简单。现在，一项最新研究用出人意料的方式给出了答案。将生物学与物理学相结合，研究团队构建了一种解释睡眠重要性的新理论。我们的大脑如同一台超级复杂的生物计算机，而睡眠可以定期重启“操作系统”，让大脑恢复到有序与混乱之间的最佳状态。
▲该研究发表于《自然-神经科学》期刊
要理解这项研究的观点，我们要从一个源自物理学的概念——临界性（criticality）——说起。临界性描述的是一个复杂系统处于有序与混乱之间的临界状态。“在一端，一切都是完全有规律的；而另一端一切都是随机的。”参与这项研究的Ralf Wessel教授说。
在上世纪末，就有理论认为，大脑的最佳工作状态就是这样的临界状态，因为这时的大脑既可以向有序，也可以向混乱的方向来移动，因此有着最为灵活而强大的信息处理能力。
一个名为“神经元雪崩”（neuronal avalanches）的模型就颇为形象地描绘了这个观点。在有序与引发灾难之间的临界点上，“可能会发生规模大小、持续时间各异的雪崩；而远离临界点，系统则会只偏向于小雪崩或是大雪崩中的一种。” 领导这项研究的Keith Hengen教授说。
图片来源：123RF
2019年，Hengen和Wessel团队在一篇《神经元》论文中通过对小鼠神经元的追踪提出，临界性是神经网络正常运行的标志。小鼠视觉皮层中的网络动力学会被调整到临界状态；而当小鼠一只眼睛的视力被挡，这种临界性先是受到严重扰动，但24小时后再次恢复。
在2019年的论文发表后，Hengen和Wessel团队猜测，学习、思考和觉醒会推动大脑偏离临界状态，而睡眠可以完美地重置系统。“我们意识到这将是对睡眠核心目标的非常酷和直观的解释，” Hengen教授说，“睡眠是解决系统问题的系统解决方案。”
为了证实这一猜想，在最新研究中，研究团队连续10~14天记录了行为自由的大鼠大脑皮层的神经元活动，这其中自然包含了正常睡眠与觉醒状态。
结果正如预测的那样，刚刚从恢复性睡眠中醒来的大鼠神经网络中发生了各种不同规模的“神经元雪崩”，即信息流经大脑的级联活动。而在清醒阶段，“雪崩”的规模逐渐变小，也就是临界性逐渐遭到了破坏。相反，睡眠有助于大脑重启“操作系统”，重新进入临界状态。由此，这项研究提供了直接证据，证实睡眠可以恢复大脑的计算能力。
▲觉醒状态下神经活动偏离临界性；相反在睡眠阶段恢复（图片来源：参考资料[2]）
研究人员还发现，通过偏离临界性的程度，他们可以预测大鼠何时入睡或觉醒。当级联减小到一定程度时，睡眠也就不远了。相比于大脑慢波活动或是其他神经指标，偏离临界性的程度能更准确地预测睡眠与觉醒行为。这一结果也证实，临界性的破坏与恢复是一个网络稳态机制，与睡眠的核心修复功能一致。
在Hengen教授看来，每个神经元都像一粒遵循基本规则的沙子。神经元本质上是一个个开关，根据简单的输入决定是否激活。如果数十亿个神经元能够达到有序与混乱之间的最佳平衡点，它们就可以协同工作，产生复杂而奇妙的结果。
参考资料：
[1] Xu, Y., Schneider, A., Wessel, R. et al. Sleep restores an optimal computational regime in cortical networks. Nat Neurosci (2024). https://doi.org/10.1038/s41593-023-01536-9
[2] Why do we sleep? Researchers propose an answer to this age-old question. Retrieved January 8, 2024 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1030564
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