或许，我们都曾在午饭后有过那种“脑袋像灌了铅、眼皮像被502粘住”的感觉，时常怀疑自己是在与周公“斗智斗勇”。但别急着自责，这可不是懒惰的问题，而是我们的大脑在高举“小旗”求饶：“拜托，给我休息一下吧！”遗憾的是，许多人选择无视这个信号，硬撑着熬过下午，结果效率全面掉线、状态全盘崩溃。
其实，关于午睡，古人早有高见。王安石有诗云：“细书妨老眼，长簟惬昏眠。依簟且一息，抛书还少年。”白居易更是直言：“暧昧斜卧日曛腰，一觉闲眠百病消。”无论是王安石的“还少年”还是白居易的“百病消”，都道出了午睡的奇妙作用。
你可能早就听说过，午睡有助于大脑变清醒，工作更高效，这个说法已经流传了一个世纪！但它背后的神经机制到底是什么？近日，顶刊Science发表的最新研究给出了答案。
研究人员通过在猕猴大脑中进行多电极记录实验，观察视觉皮层（Visual Cortex）和背外侧前额皮层（Dorsolateral Prefrontal Cortex）在睡眠前后的神经活动变化。研究发现，仅30分钟的短时间睡眠就能使大脑皮层的神经活动去同步化，提升了信息编码能力，从而改善了认知表现。并且，这一过程可以通过低频电刺激（4Hz）模拟，其原理是睡眠促使大脑局部突触连接重新调整，形成非对称性抑制机制，从而帮助大脑“重启”，优化信息处理。
午睡30分钟=大脑重启？来自猕猴的真相
“睡个午觉，效率加倍” 这个说法可不是空穴来风，既往研究已经发现，短短30分钟的非快速眼动睡眠（也就是NREM阶段1和2）可以有效提升学习、记忆和感知表现。不过，以往这些人类研究主要靠脑电图（EEG）和功能磁共振成像（fMRI）来“窥探”大脑。这些工具就像拍风景照一样，可以看到大脑活动的整体画面变化，但分辨率不够高，看不清具体的“小细节”——比如单个神经元或神经网络层面的细微变化。
而既往那些针对小型哺乳动物的研究，大多停留在睡眠后记忆再激活这个层面，很少去研究睡眠到底如何直接影响我们的行为表现。
为了解答这些问题，研究人员给猕猴的大脑装上了多电极记录设备，就像在大脑里架起了一张“窃听网”，实时捕捉神经元们的“悄悄话”。这次的目标非常明确：三个关键区域！
视觉皮层（V1和V4）：它们就像大脑里的“图像处理中心”，负责收集和分析视觉信息。
背外侧前额皮层（dlPFC）：这是大脑的“决策指挥官”，主管高级思考和任务执行。
研究团队追踪了这些区域里4422个神经元的活动，观察它们在睡眠前、睡眠中和睡眠后的动态变化，重点观察短时睡眠（30分钟）怎么让这些神经元“齐心协力”，提升大脑的信息处理和编码能力。
实验中，研究人员让猕猴分别在30分钟睡眠前后执行同样的视觉定向任务。简单来说，猕猴需要迅速判断两张快速闪过的图片是否一模一样。如果两张图片稍微转了个角度（比如2°、3°、5°到90°不等），猕猴就得识别出来。不过，有些小角度变化（比如5°到20°）可是真正的“细节考验”，着实得费一番心思！
实验把猕猴设置成了两组：
睡觉组：猕猴先完成任务，再睡30分钟，然后再测一次任务表现。
不睡觉组：猕猴先完成任务，然后在暗室里静坐30分钟（没睡觉），再测一次表现。
为了确保实验的严谨性，研究人员还用多导睡眠图（PSG）来监测睡眠特征，比如脑电图（EEG）、眼动图（EOG）和肌电图（EMG），确保猕猴的睡眠确实达到了非快速眼动睡眠（NREM） 1和2期，也就是我们常说的“浅睡眠”。此外，他们还通过深度神经网络分析了猕猴的面部视频，比如闭眼和下颌放松等特征，严格区分了“睡眠”和“清醒”状态。
上图：睡眠（Sleep）和非睡眠（No Sleep）状态下猕猴的表现；下图：PSG记录的各项生理指标
实验结果出人意料：睡过觉的猕猴任务完成表现更好了！它们不仅在所有任务中的总体表现提高，尤其是在辨别那些小角度旋转（5°到20°）的图片时，睡眠后的表现优于睡眠前。而未睡觉的对照组则没有观察到类似改善。这一发现表明，睡眠对感知任务的优化作用主要体现在复杂或具有挑战性的情境中。
更有意思的是，研究进一步发现猕猴睡眠期间大脑里的“慢波活动”（δ波）越活跃，猕猴醒来后任务表现就越好，相关系数高达0.72（P=0.0009）。这提示慢波活动可能在记忆巩固和感知能力提升中起到了关键作用。
很多人可能觉得，是不是因为猕猴睡醒后更精神、更专注，所以任务表现变好了？研究人员也考虑到了这个问题。他们通过测量猕猴的瞳孔大小（用来判断清醒程度）和伽马波功率（用来反映注意力），发现睡眠前后这些指标都没变（P=0.35和P=0.71）。换句话说，猕猴不是因为睡醒了才任务表现更好，而是睡眠真的让它们的大脑在“后台升级”了！
图I：猕猴睡前和睡后任务表现的对比；图J：行为准确率的动态变化；图K：图像辨别表现的变化
睡眠让大脑既“同步”又“去同步”
短时睡眠不仅仅是闭目养神，更是一场“大脑优化”的深度工程。仅仅小睡30分钟，就能触发大脑低频同步活动，像按下了“优化按钮”，让神经元群体协同合作、效率倍增！这种现象背后到底藏着怎样的科学奥秘？
研究人员进一步探究了睡眠对大脑神经元群体活动的调节作用，发现睡眠不仅重新组织了大脑的局部活动模式，还深刻影响了跨区域的协作机制。
他们通过测量猕猴在清醒、睡眠以及无睡眠控制条件下的脑电图（LFP）功率和神经元群体同步性指数（PSI），揭示了睡眠在信息处理与功能优化中的重要角色。结果显示，清醒和睡眠代表了两种完全不同的脑活动模式。清醒时，大脑就像高速运转的“数据中心”，以处理信息为主，伽马波（30-80Hz）功率显著提升，而慢速的δ波（0.5-4Hz）功率则较低。
而到了睡眠状态，大脑切换到“修复模式”，以低频活动为主。尤其是δ波，作为非快速眼动（NREM）睡眠的标志性信号，功率竟足足增加了125.2%（P<0.001）！这意味着，大脑进入了同步休整状态，为记忆巩固和信息整理提供了理想的“施工环境”。
进一步研究还发现，δ波的增强和PSI的提升紧密相关（相关系数r=0.74，P=0.007）。例如，在视觉相关的V4区域，睡眠期间PSI显著高于清醒任务期（P<0.001）。这一现象表明，慢波活动可能是大脑在睡眠中协调神经元活动、巩固记忆的重要机制。
更有趣的是，睡眠时大脑的这种“神同步”状态并不会延续到睡醒之后。研究人员发现，睡眠后执行任务时，大脑的神经元群体同步性反而比睡眠前还低。这种“去同步化”并没有影响大脑的工作，反而可能让它在任务中表现得更灵活。
以视觉皮层（V1和V4）和前额叶区域（dlPFC）为例，睡眠后的PSI显著下降（V1区域统计结果为：F5, 7805=157，P=6.4×10-160；V4区域：F5, 7830=259，P=4.02×10-257；dlPFC区域：F5, 2386=82，P=1.6×10-80）。而未睡觉的猕猴在任务前后PSI几乎没有变化（P>0.05）。这表明，睡眠后的PSI下降是一种独特的效应，可能是为了让大脑更加灵活地分工合作，颇有点“睡觉先同步，醒来再分工”的意思。
图J：在睡眠和无睡眠条件下，V1和V4区域的PSI变化；图K：在睡眠和无睡眠条件下，V1和V4区域的PSI相关性变化；图L：在睡眠和无睡眠条件下，V4-PFC（前额叶皮层）的PSI相关性变化；图M：在睡眠和无睡眠条件下，V4-dlPFC（背外侧前额叶皮层）的PSI相关性变化
此外，睡眠还降低了大脑不同区域之间的PSI相关性（P<0.01），也就是说，各个区域变得更加“独立”。这种全局去同步化的变化，能够释放更多自由度，让大脑在任务中具备更高的灵活性。同时，局部区域通过睡眠完成了高效“同步”，如记忆巩固。这种平衡机制就像一场团队比赛，既需要配合，又要避免过度依赖，保证各自发挥最大的实力。
最终，睡眠不仅让大脑区域在局部和全局之间达成了平衡，还显著提升了对任务刺激的解码能力（P<0.001），且在不同脑区中效果一致（P=0.31）。可以说，睡眠通过优化神经元活跃度和协作机制，赋予了大脑信息处理的高效与精准，堪称“系统升级”的完美范本！
清醒时也能“优化”大脑
为了更好地理解睡眠对大脑的影响，我们可以把大脑比作一台复杂的机器，它需要定期的“重启”来提高工作效率。
研究发现，睡眠中的低频同步活动，尤其是δ波（大约4Hz），在大脑的自我调整和优化中扮演了重要角色。这个过程不仅帮助神经元重新同步，提高信息处理效率，还能让大脑更加灵活地应对后续的任务表现。这就像是给大脑做了一次深度“系统升级”，让它在“修复模式”下整理和巩固信息，为更高效的工作做准备。
然而，研究人员不仅仅停留在睡眠的作用上，他们还大胆地提出了一个假设：如果在猕猴清醒时，通过低频电刺激模拟睡眠中的δ波同步活动，是否也能达到类似的效果？
为了验证这一假设，他们设计了一个精妙的实验。猕猴在完成任务前接受了低频电刺激，刺激持续20-30分钟，接着进行任务表现对比。实验结果发现，低频电刺激确实能够模拟睡眠的效果，使得猕猴在清醒时也表现出更高的感知能力和灵活性。
这项实验的独特之处在于，它排除了睡眠的干扰，专门验证了低频电刺激在清醒状态下的作用。传统上，我们认为睡眠是大脑优化和提升感知能力的关键，而这项研究则提出了另一个可能性：通过电刺激模仿睡眠中的低频同步活动，清醒时的大脑也能变得更加“敏锐”。
为了更深入地理解这一现象背后的机制，研究人员还通过建立视觉皮层的神经网络模型进行了模拟。他们还设计了一个模拟视觉皮层的网络模型。这个模型包含了1008个兴奋性神经元和252个抑制性神经元，通过调整这些神经元之间的连接强度，研究它们如何影响大脑活动。
结果发现，当局部皮层的抑制性突触“减弱”时（特别是抑制性突触的减少幅度大于兴奋性突触），大脑表现出了一些特征，比如任务后的神经元放电频率增加，神经元之间的同步性下降等。简单来说，这就像是给大脑放松了一点“束缚”，让它的活动变得更加灵活、高效。这一过程可能是睡眠后大脑“调整”并提高工作效率的一个关键因素。
总的来说，这项研究揭示了NREM睡眠如何通过去同步化皮层电路来改善行为表现。研究发现，NREM睡眠期间，皮层区域间的同步波动有所增加，而睡眠后，相比于睡前，皮层活动变得更加去同步化。这种变化与每个区域群体活动中信息编码的增加以及行为表现的改善密切相关。
此外，研究还发现，使用4Hz的低频电刺激对视觉皮层的刺激，可以模拟睡眠对神经网络和知觉表现的有益效果。大规模神经网络模型的模拟表明，局部皮层突触的不对称性抑制与睡眠后观察到的神经活动变化高度一致。
看来，短短30分钟的小憩，就能让大脑经历一次神奇的“重启”，提升信息编码能力，优化认知表现。所以，对于那些还在纠结是否要听从身体召唤，享受片刻午睡的朋友们，科学已经给出了答案：不要犹豫，给自己一个充电的机会吧！
参考资料：
[1]Kharas N, Chelaru MI, Eagleman S, Parajuli A, Dragoi V. NREM sleep improves behavioral performance by desynchronizing cortical circuits. Science. 2024 Nov 22;386(6724):892-897. doi: 10.1126/science.adr3339. Epub 2024 Nov 21. PMID: 39571022.
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