Nature：新研究揭示了睡眠期間大腦兩個半球之間的競爭

在一項新的研究中，研究人員通過研究澳洲鬃獅蜥的睡眠，發現在睡眠的一個階段，澳洲鬃獅蜥大腦的兩個半球互相競爭，一方將其活動強加于另一方，直到占主導地位的半球切換到另一方，整個晚上交替進行。

人類是左右對稱的。因此，我們的大腦由兩個半球組成，這兩個半球通過穿過中線的特殊纖維束相互交流。雖然每個半球都傾向于處理身體另一側的感官（視覺、聽覺、觸覺）和運動控制，但由于這兩個半球之間的不斷交流，我們一般不會意識到這種功能的劃分。在人類中，這兩個大腦半球也專門負責某些功能，比如語言區通常位于大腦左半球。

大多數動物（鳥類、爬行動物、兩棲動物、魚類、昆蟲、軟體動物等）和人類一樣，都是左右對稱的，并擁有左右對稱的大腦。在一項新的研究中，德國福馬克斯-普朗克腦科研究所的Lorenz Fenk、Luis Riquelme和Gilles Laurent研究了一種爬行動物---澳洲鬃獅蜥（Pogona vitticeps）---的睡眠，發現在睡眠的一個階段，澳洲鬃獅蜥大腦的兩個半球互相競爭，一方將其活動強加于另一方，直到占主導地位的半球切換到另一方，整個晚上交替進行。相關研究結果于2023年3月22日在線發表在Nature期刊上，論文標題為“Interhemispheric competition during sleep”。

Fenk解釋說，“澳洲鬃獅蜥的睡眠分為兩種狀態，與包括人類在內的哺乳動物所描述的狀態相似：一個階段是所謂的慢波睡眠，其得名因為腦電圖顯示低頻波；第二個階段快速眼動（Rapid Eye Movement，REM）睡眠，在此階段，腦電圖與清醒狀態時的記錄相似，眼睛往往在眼瞼下做抽搐運動，而身體則處于麻痹狀態。”

在人類中，睡眠開始于一個較長的慢波階段（約60分鐘），然后是5～10分鐘的REM睡眠，這種交替的循環再次開始，每晚5～7次。隨著夜晚的進行，每個睡眠周期中的REM睡眠部分會增加。在澳洲鬃獅蜥中，睡眠周期要短得多（不到2分鐘），這兩種睡眠狀態的持續時間相等（每種狀態45～60秒），貫穿整個晚上。澳洲鬃獅蜥每晚要經歷250～350個這樣的睡眠周期，在它的慢波睡眠和REM睡眠之間有規律地交替進行。

通過同時記錄澳洲鬃獅蜥大腦兩側的同一區域（稱為屏狀核）的神經元活動，這些作者發現在睡眠的慢波階段，每一半球都獨立于另一個半球運作。然而，令他們驚訝的是，在REM睡眠階段，這兩個半球變得精確同步，但這兩個半球之間有20毫秒的極短延遲。更令人驚訝的是，他們發現領先另一個半球20毫秒的半球在每個睡眠周期中平均在左半球和右半球之間切換一次。

通過比較REM睡眠期間在左、右屏狀核（claustrum）上記錄的信號強度，他們還觀察到，活動較強的半球通常是領先的半球。這一點---連同他們論文中提出的其他證據--表明大腦的兩個半球在REM睡眠期間相互競爭，但在慢波睡眠期間不競爭，而且在競爭時，較強的半球將它的活動強加于另一個半球。這種形式的競爭被稱為“贏家通吃”。

有趣的是，盡管左、右半球在整個晚上起主導作用的時間大致相等（大約各占睡眠周期的一半），但這兩個半球之間的切換并不完全隨著每個睡眠周期而發生。此外，在晚上的最后幾個小時，這兩個半球之間的切換變得不那么頻繁，在許多睡眠周期中，一個半球主導另一個半球，然后將主導地位讓給另一個半球，同樣是在許多連續的睡眠周期中。

圖片來自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05827-w。

Laurent說，“這表明存在幾個睡眠控制回路并相互作用，每個回路都有不同的時間尺度，其中一些時間尺度在整個晚上發生系統性演變；這表明無論睡眠在這些動物中發揮什么功能，不同的機制可能在晚上的早期和晚期發揮作用，產生不同的后果。”

在努力了解大腦兩個半球在REM睡眠期間是如何相互作用和競爭的過程中，這些作者發現這種競爭并不是由于左、右屏狀核之間的直接相互作用，而是由于在大腦更深處的中腦和后腦交界處發現的回路。這些所謂的峽部回路（isthmic circuit）在所有脊椎動物中都有，包括哺乳動物和人類，并且在鳥類中得到了特別好的研究。在鳥類中，它們已被證明對清醒的鳥類（貓頭鷹和鴿子）的某些形式的視覺注意很重要。通過僅破壞澳洲鬃獅蜥大腦的一個半球中這些峽部回路的一個組成部分進，Fenk及其同事們能夠取消半球主導地位的定期切換，使完整的一個半球在整個晚上（連續多個晚上）支配另一個半球。

雖然這項新研究中涉及的回路組成部分（屏狀核、中腦和峽部）存在于包括人類在內的哺乳動物中，但目前還不知道在人類的REM睡眠期間是否也會發生類似的競爭性相互作用。睡眠的機制和功能是復雜的，在任何動物中仍然知之甚少。在爬行動物中的這些新結果為睡眠動力學和功能的重要問題增加了新的復雜性。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Lorenz A. Fenk et al. Interhemispheric competition during sleep. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05827-w.