不睡觉大脑“雪崩”！睡一觉大脑恢复最佳状态！Nature子刊：“需要睡觉”的根本原因找到了！

人类一生中有1/3左右的时间在睡眠中度过。但你是否有过和小编相同的疑问：睡觉这么“浪费时间”的行为，为什么没有被“进化”掉呢？

就像食物或饮水一样，睡眠是生物体的基本需求。一个很直观的现象是，人在不吃食物的情况下大约可以忍受三周，不喝水只能忍一周左右，但只要三天不睡觉人就会开始“ 崩溃”。正如华盛顿大学生物学教授Keith Hengen直白的描述：“如果没有睡眠，你会死！”

经历过熬夜或欠觉的读者应该都有过类似的感受：在睡眠不足的情况下，我们会明显地感觉到自己“精神不济、行动迟缓”，而长时间的缺乏睡眠更是会直接导致“记忆下降、免疫崩溃”。很明显，睡眠可以缓解困倦，但这个理由不足以完全解释“我们为什么需要睡眠”。

在融合了物理学和生物学领域的概念之后，Hengen及其研究团队构建了一套理论，从而更准确且更直观地解释「睡眠的含义」——具体来说，在观察了睡眠期间大鼠的大脑活动之后发现，大脑需要定期重置其操作系统以达到“临界状态（Criticality）”，在这个状态下思维和处理过程会得到优化。

更形象地说，大脑就好比一台生物“计算机”。当人处于清醒状态时，记忆和经历便会一点一点地改变“代码”，使得系统慢慢地偏离了理想状态。而睡眠的核心意义在于：重启大脑，使这台“计算机”恢复最佳计算状态。该研究发表在Nature Neuroscience上。

https://doi.org/10.1038/s41593-023-01536-9

「临界状态」这个词最早源自物理学领域，用于描述一种存在于“秩序”和“混乱”之间临界点的复杂状态，而接近临界状态的系统会表现出最大化的信息编码和处理能力。

鉴于此，研究者开始思考“临界状态”这个原理是否同样适用于神经生物学。2019年的研究中，Hengen及其团队首次发现大脑会积极努力地维持“临界状态”，而临界状态正是神经网络正常运行的标志。

在这项研究之后，Hengen试图使用“临界状态”理论来解读睡眠的作用。于是，研究人员对自由行为大鼠的大脑皮层神经元活动进行长达10-14天的连续监测，并根据神经元的尖峰脉冲变化确定了四种行为状态：非快动眼睡眠（NREM）、快动眼睡眠（REM）、主动觉醒和安静觉醒。

在睡眠和唤醒的状态下，视觉皮质动力学在临界状态附近的波动

为了量化临界状态的接近程度，研究者建立了“神经元雪崩”的模型。“神经元雪崩”，即在神经网络中追踪到的小级联活动，反映了信息在大脑中的流动方式。

在“临界状态”下，往往会出现各种规模和持续时间的雪崩；但远离“临界状态”后，系统会趋向于某一类，要不是小“雪崩”，要不是大“雪崩”。

观察小鼠的睡眠-觉醒过程发现，刚从恢复性睡眠中醒来时，小鼠脑内出现了各种规模的“雪崩”；而在整个清醒的过程中，“雪崩”开始向越来越小的规模转变，当规模减小到一定程度之后，也就离睡眠不远了。因此，追踪雪崩的分布也能够预测小鼠何时即将入睡或醒来。

因此，“睡眠是系统级问题的系统级解决方案。”这意味着，学习、思考和清醒必须使大脑远离临界状态，但睡眠完全可以重置系统。

清醒时临界性会遭到破坏，而睡眠时会恢复临界状态

综上所述，在通过对自由行为大鼠的大脑皮层神经元活动进行长达10-14天的连续监测之后，研究者搭建了临界状态与大脑状态、行为、环境和时间的函数关系，发现：正常的觉醒行为会逐渐破坏临界性，而睡眠能够使小鼠恢复至临界状态。从一个崭新、合理的方向解释了“睡眠”的重要性。

Hengen解释道，每一个神经元都遵循着基本的规则，本质上，神经元近似于一个“开关”，会根据直接的“输入”来决定是否启动。如果数十亿个神经元都能够达到临界状态，它们就能协同合作，共同完成一系列的大脑活动。

就像电子产品一样，不重启也容易死机，更何况人的大脑呢？到时间就及时“重启”大脑，早早入睡吧！

参考资料：

[1]Xu Y, Schneider A, Wessel R, Hengen KB. Sleep restores an optimal computational regime in cortical networks. Nat Neurosci. 2024 Jan 5. doi: 10.1038/s41593-023-01536-9. Epub ahead of print. PMID: 38182837.[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/1030564