在深度睡眠階段，意識狀態(tài)會發(fā)生顯著變化,，就像在昏迷或全身麻醉時一樣,。長期以來，科學家們一直認為(但不能確定)大腦活動在睡眠期間會下降,。大多數(shù)關(guān)于睡眠的研究都是使用腦電圖(EEG)進行的,，該方法需要通過沿患者頭皮上放置的電極來測量大腦活動。然而,，工程學院EPFL醫(yī)學圖像處理實驗室的博士助理AnjaliTarun使用磁共振成像技術(shù)研究了睡眠期間的大腦活動,。

實驗室負責人DimitriVan De Ville說：“MRI掃描通過檢測整個大腦結(jié)構(gòu)的血液動力學反應(yīng)來測量神經(jīng)活動，從而提供除腦電圖外的重要信息,?！痹谶@些實驗中Tarun依靠腦電圖來確定研究參與者何時入睡，并精確定位睡眠的不同階段,。然后，她檢查了MRI圖像以生成神經(jīng)活動的空間圖,，并確定了不同的大腦狀態(tài),。

研究人員表示，唯一的問題是,，在參與者睡覺時對其進行腦部核磁共振成像檢查并不容易,。機器噪音很大，參與者很難進入深度睡眠狀態(tài),。但是,，Tarun與日內(nèi)瓦大學(Universityof Geneva)的SophieSchwartz教授和波鴻魯爾大學(Ruhr-Universit?t Bochum)的尼古拉·阿克斯馬赫（Nikolai Axmacher）教授合作，可以同時利用大約30人的核磁共振和腦電圖數(shù)據(jù),。研究人員用核磁共振成像儀記錄了參與者在近兩個小時內(nèi)睡覺時的大腦活動數(shù)據(jù),。

圖1.實驗范例

(A)研究1的實驗持續(xù)時間為51分鐘至2小時40分鐘，研究2的實驗持續(xù)時間為5分鐘至20分鐘。

(B)每個NREM睡眠階段(以分鐘為單位)積累的數(shù)據(jù)分布表明,，研究1覆蓋了N3,，而研究2主要覆蓋了清醒和N1階段。

(C)研究1中一名參與者的睡眠評分(或睡眠圖)示例,。

Tarunn表示“兩個小時是一個相對較長的時間,，這意味著我們能夠獲得一組罕見的、可靠的數(shù)據(jù),，患者在進行認知任務(wù)時進行核磁共振成像通常持續(xù)10到30分鐘,。”

經(jīng)過檢查,、分析和比較所有數(shù)據(jù)后,，Tarun發(fā)現(xiàn)了一個非常驚奇的結(jié)果。她說：“我們精確地計算了由大腦不同部位組成的網(wǎng)絡(luò)在每個睡眠階段活躍的次數(shù),?！薄拔覀儼l(fā)現(xiàn)，在淺睡眠階段（即從入睡到進入深度睡眠狀態(tài)之間）,，大腦活動總體上減少,。但是，大腦不同部分之間的交流變得更加活躍,。我們認為這是由于這一階段大腦狀態(tài)的不穩(wěn)定造成的,。”

Van De Ville補充道:“真正讓我們驚訝的是由此產(chǎn)生的悖論,。在從輕度睡眠到深度睡眠的過渡階段,，局部大腦活動增加了，相互互動卻減少了,。這表明大腦網(wǎng)絡(luò)無法同步,。”

下圖為根據(jù)有助于該網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的重要瞬態(tài)(significant transients)百分比(降序)對iCAP進行編號,，在功能圖下面以黃色字體顯示,。每個iCAP的集群一致性信息用紅色表示。餅圖顯示了每個iCAP在睡眠階段的分布情況,。每個腦片的MNI坐標以白色字體表示,。iCAP的名稱是根據(jù)它們與Greicius網(wǎng)絡(luò)的對應(yīng)關(guān)系(Shirer等人，2012)得出的,。

圖2.從兩項研究的所有記錄中得出的17種創(chuàng)新驅(qū)動的共激活模式(iCAP)的空間模式

意識通常與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有關(guān),，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能與我們的自省過程，情景記憶和自發(fā)性思維有關(guān),。Van De Ville說：“我們發(fā)現(xiàn)前后腦區(qū)域之間的網(wǎng)絡(luò)破裂了,，隨著睡眠深度的增加,，這種網(wǎng)絡(luò)變得越來越明顯?！薄霸谛∧X中也觀察到了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的類似故障,，這通常與運動控制有關(guān)?！?/span>

目前,，科學家們還不知道為什么會這樣。但是他們的發(fā)現(xiàn)是邁向更好地了解睡眠中意識狀態(tài)的第一步,。研究人員表示：“我們的發(fā)現(xiàn)表明意識是不同大腦區(qū)域之間相互作用的結(jié)果,，而不是局部大腦活動的結(jié)果?！薄巴ㄟ^研究我們的意識狀態(tài)在不同睡眠階段是如何改變的,，以及對大腦網(wǎng)絡(luò)活動的意義，我們可以更好地理解和解釋人類所具有的廣泛的大腦功能,?！?/span>

參考

NREM sleep stages specifically alter dynamical integration of large-scale brain networks

medicalxpress