新研究揭示睡眠期间大脑半球之间的竞争

人是左右对称的。因此，我们的大脑由称为半球的两半组成，它们使用穿过中线的专门纤维束相互通信。虽然每个半球都倾向于处理身体另一侧的感觉（视觉、听觉、触觉）和运动控制，但由于半球间持续的交流，我们通常不会意识到这种功能划分。在人类中，两个半球也专门负责某些功能：例如，语言区域通常位于左半球。

大多数动物（鸟类、爬行动物、两栖动物、鱼类、昆虫、软体动物等）与人类一样，双侧对称，并拥有双侧对称的大脑。德国法兰克福马克斯普朗克大脑研究所的澳大利亚龙 Pogona vitticeps、Lorenz Fenk、Luis Riquelme 和 Gilles Laurent 研究爬行动物的睡眠，报告说，在一个睡眠阶段，Pogona 大脑的两半会竞争彼此如此，一侧将其活动强加于另一侧，直到优势半球切换到另一侧，整个晚上来回交替。

Lorenz Fenk 解释说，“Pogona 的睡眠分为两种状态，类似于哺乳动物（包括人类）所描述的状态：所谓的慢波睡眠阶段，脑电图显示低频波——因此得名——和第二阶段，称为 REM（快速眼动）或反常睡眠，其中脑电图类似于清醒状态下记录的脑电图（因此“反常”）并且眼睛倾向于在眼睑下进行急促的运动（因此 REM），而身体否则就会瘫痪。”

在人类中，睡眠从一个长的慢波阶段（大约 60 分钟）开始，然后是 5-10 分钟的快速眼动，这个交替循环再次开始，每晚 5-7 次。随着夜晚的进行，REM 睡眠的比例在每个睡眠周期都会增加。在波戈纳，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）。一条龙每晚要经历 250-350 次这样的睡眠周期，有规律地在慢波睡眠和快速眼动睡眠之间交替。

通过同时记录 Pogona 大脑两侧同一区域（称为屏状核）的神经元活动，科学家们发现在睡眠的慢波阶段，每一侧都独立于另一侧运作。然而，令他们惊讶的是，两侧在快速眼动期间变得精确同步，但左右脑之间有 20 毫秒（一毫秒是千分之一秒）的非常短的延迟。更令人惊讶的是，他们发现领先另一侧 20 毫秒的一侧平均每个睡眠周期在左侧和右侧之间切换一次。

通过比较快速眼动期间左侧和右侧屏状体记录的信号强度，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，但在慢波睡眠期间不会，并且在竞争时，较强的一侧将其活动强加给另一侧。这种竞争形式称为赢者通吃。

有趣的是，尽管左右两侧在整个晚上起主导作用的时间大致相等（各占睡眠周期的一半左右），但两侧之间的转换并不完全发生在每个睡眠周期中。此外，在夜晚的最后几个小时，一侧之间的转换变得不那么频繁，在许多连续的周期中，一侧支配另一侧，然后再将主导权让给另一侧。

“这表明几个睡眠控制回路的存在和相互作用，每个都有不同的时间尺度，以及其中一些时间尺度在整个晚上的系统演变；这表明无论睡眠在这些动物中发挥什么作用，不同的机制可能在在深夜玩早玩和玩晚玩，会产生不同的后果，”Laurent 说。

为了了解在 REM 睡眠期间大脑的两侧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 claustra 之间的直接相互作用，而是由于在大脑更深处发现的回路，在中脑和后脑的交界处。这些所谓的峡部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深入的研究。在那里，它们已被证明对清醒的鸟类（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峡部环路的一个组件，Fenk 和同事能够取消一侧优势的定期切换，

虽然这项研究中涉及的回路组件（屏状核、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快速眼动睡眠期间是否也会发生类似的竞争性相互作用。睡眠的机制和功能是复杂的，并且在任何动物中仍然知之甚少。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。