睡一觉，大脑恢复最佳状态！Nature 子刊揭秘，这种好处只有睡觉才能获得

以下文章来源于学术经纬 ，作者学术经纬

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。

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。

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。

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。

转自：“丁香学术”微信公众号

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