新研究揭示睡眠期间大脑半球之间的竞争

人类是双边对称的。因此，我们的大脑由两半组成，称为半球，它们使用穿过中线的特殊纤维束相互交流。虽然每个半球都倾向于处理身体另一侧的感官(视觉、听觉、触觉)和运动控制，但由于半球间不断的交流，我们通常没有意识到这种功能的划分。在人类中，两个半球也专门用于某些功能：例如，语言区域通常在左半球。

大多数动物(鸟类、爬行动物、两栖动物、鱼类、昆虫、软体动物等)和人类一样，是双边对称的，并拥有双边对称的大脑。研究爬行动物的睡眠，德国法兰克福马克斯普朗克脑研究所的澳大利亚龙Pogona vitticeps，Lorenz Fenk，Luis Riquelme和Gilles Laurent在《自然》杂志上报告说，在睡眠的一个阶段，Pogona大脑的两半相互竞争，使得一方将其活动强加于另一方， 直到占主导地位的半球切换到另一侧，整夜来回交替。

Lorenz Fink解释说：“Pogona的睡眠分为两种状态，类似于哺乳动物(包括人类)中描述的状态：所谓的慢波睡眠阶段，脑电图显示低频波 - 因此得名 - 第二阶段，称为REM(用于快速眼动)或矛盾睡眠，其中EEG类似于清醒状态下记录的EEG(因此”矛盾“)，眼睛倾向于在眼睑下进行生涩运动(因此REM)，而否则身体会瘫痪。

在人类中，睡眠从长慢波阶段(约60分钟)开始，然后是5-10分钟的快速眼动，并且这种交替循环再次开始，每晚5-7次。随着夜晚的进展，每个睡眠周期的快速眼动睡眠比例增加。在Pogona中，睡眠周期要短得多(不到2分钟)，并且整个晚上两种睡眠状态的持续时间相等(各45-60秒)。一条龙每晚经历250-350个这样的睡眠周期，在其慢波和REM睡眠版本之间定期交替。

通过同时记录Pogona大脑两侧同一区域(称为幽闭)的神经元活动，科学家们发现在睡眠的慢波阶段，每一侧都独立运作。然而，令他们惊讶的是，在快速眼动期间，双方变得精确同步，但左右脑之间的延迟非常短，为20毫秒(毫秒是千分之一秒)。更令人惊讶的是，他们发现领先另一方20毫秒的一侧平均在每个睡眠周期中左右切换一次。

通过比较快速眼动期间左右幽闭记录的信号强度，他们还观察到活动较强的一侧通常是领先的一侧。这与他们论文中提出的其他证据一起表明，大脑的两侧在快速眼动睡眠期间相互竞争，但在慢波睡眠期间则不然，并且在竞争时，较强的一方将其活动强加于另一方。这种形式的竞争被称为赢家通吃。

有趣的是，尽管左右两侧在整个晚上扮演着相同的时间(大约一半的睡眠周期)，但两侧之间的切换并不完全发生在每个睡眠周期中。此外，在晚上的最后几个小时，双方之间的切换变得不那么频繁，一方在许多睡眠周期中主导另一方，然后再次连续许多周期将主导地位让给另一方。

“这表明存在几个睡眠控制回路并相互作用，每个回路都有不同的时间尺度，并且其中一些时间尺度在整个晚上都有系统的演变;这表明，无论睡眠在这些动物中发挥什么功能，不同的机制可能在早晚都在起作用，产生不同的后果，“劳伦特说。

为了了解大脑两侧在快速眼动睡眠期间如何相互作用和相互竞争，科学家们发现这种竞争不是由于左右幽闭之间的直接相互作用，而是由于在大脑中更远的地方发现的回路，在中脑和后脑之间的交界处。这些所谓的地峡回路存在于所有脊椎动物中，包括哺乳动物和人类，并且在鸟类中得到了特别好的研究。在那里，它们已被证明对清醒鸟类(猫头鹰和鸽子)的某些形式的视觉注意力很重要。通过仅在Pogona大脑的一侧损伤这些地峡回路的一个组成部分，Fenk及其同事能够取消侧面优势的常规切换，导致完整的一侧在整个晚上(以及连续的一侧)支配另一侧。

虽然本研究中涉及的电路组件(幽闭，中脑和峡部)存在于包括人类在内的哺乳动物中，但尚不清楚在人类的REM睡眠期间是否也发生类似的竞争相互作用。睡眠的机制和功能很复杂，在任何动物身上仍然知之甚少。爬行动物的这些新结果为睡眠动力学和功能的重要问题增加了新的复杂性。

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