睡眠是一種無處不在的行為，雖然千百年來技術迭代不斷，但人們對睡眠的功能、進化和潛在機製仍然知之甚少，這一廣泛存在的現象仍纏繞著無盡的謎團。我們的大腦由稱為半球的兩半組成，它們使用穿過中線的專門纖維束相互通信。雖然每個半球都傾向於處理身體另一側的感覺(視覺、聽覺、觸覺)和運動控製，但由於半球間持續的交流，我們通常不會意識到這種功能劃分。在人類中，兩個半球也專門負責某些功能：例如，語言區域通常位於左半球。

        大多數動物(鳥類、爬行動物、兩棲動物、魚類、昆蟲、軟體動物等)與人類一樣，雙側對稱，並擁有雙側對稱的大腦。鑒於此，德國馬普所大腦研究所的Lorenz Fenk、Luis Riquelme 和 Gilles Laurent研究了澳大利亞的鬃獅蜥蜴(胡須龍Pogona vitticeps)睡眠。在睡眠的一個階段，Pogona大腦的兩半相互競爭，以致於一方將其活動強加於另一方，直到主導半球切換到另一方，在整個夜晚來回交替。相關研究成果以題為“Interhemispheric competition during sleep”發表在最新一期《Nature》上。

        詳細而言，Pogona 的睡眠分為兩種狀態，類似於哺乳動物(包括人類)所描述的狀態：所謂的慢波睡眠階段(SWS)，腦電圖顯示低頻波，和第二階段，稱為快速眼動(REM)睡眠或反常睡眠，其中腦電圖類似於清醒狀態下記錄的(因此“反常”)，並且眼睛傾向於在眼瞼下進行急促的運動(因此 REM)，眼睛傾向於在眼瞼下做抽搐運動(因此為REM)，而身體則處於麻痹狀態。

        在人類中，睡眠從一個長的慢波階段(大約 60 分鍾)開始，然後是 5-10 分鍾的快速眼動，這個交替循環再次開始，每晚 5-7 次。隨著時間的流逝，REM 睡眠的比例在每個睡眠周期都會增加。在Pogona中，睡眠周期要短得多(不到 2 分鍾)，並且整個晚上兩種睡眠狀態的持續時間相等(各 45-60 秒)。Pogona每晚要經曆 250-350 次這樣的睡眠周期，有規律地在慢波睡眠和快速眼動睡眠之間交替。

        Figure 1. 胡須龍大腦在睡眠期間的半球間競爭

        通過同時記錄 Pogona 大腦兩側同一區域(稱為屏狀核)的神經元活動，科學家們發現在睡眠的慢波階段，每一側都獨立於另一側運作。然而，令他們驚訝的是，兩側在快速眼動期間變得精確同步，但左右腦之間有 20 毫秒(一毫秒是千分之一秒)的非常短的延遲。更令人驚訝的是，他們發現領先另一側 20 毫秒的一側平均每個睡眠周期在左側和右側之間切換一次。通過比較快速眼動期間左側和右側屏狀體記錄的信號強度，他們還觀察到具有更強活動的一側通常是領先的一側。這與他們論文中提出的其他證據一起表明，大腦的兩側在快速眼動睡眠期間相互競爭，但在慢波睡眠期間不會，並且在競爭時，較強的一側將其活動強加給另一側。這種競爭形式稱為贏家通吃。

        有趣的是，雖然左右兩側在整個晚上起主導作用的時間大致相等(各占睡眠周期的一半左右)，但兩側之間的轉換並不完全發生在每個睡眠周期中。此外，在晚上的最後幾個小時，一側之間的轉換變得不那麼頻繁，在許多連續的周期中，一側支配另一側，然後再將主導權讓給另一側。這表明幾個睡眠控製電路的存在和相互作用，每個都有不同的時間尺度，以及其中一些時間尺度在整個晚上的係統演變;這表明無論睡眠在這些動物身上發揮什麼作用，不同的機製可能在深夜起作用，並產生不同的結果。

        為了了解在REM睡眠期間大腦的兩側如何相互作用和相互競爭，科學家們發現這種競爭不是由於左右claustra之間的直接相互作用，而是由於在大腦更深處發現的回路，在中腦和後腦的交界處。這些所謂的峽部回路存在於所有脊椎動物中，包括哺乳動物和人類，並且在鳥類中得到了特別深入的研究。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力很重要。通過僅在Pogona大腦的一側損傷這些峽部回路的一個組成部分，作者能夠取消一側優勢的定期轉換，導致完整的一側在整個晚上(以及隨後的一側)支配另一側。

        【小結】

        雖然這項研究中涉及的回路組件(屏狀核、中腦和峽部)存在於包括人類在內的哺乳動物中，但尚不清楚在人類的快速眼動睡眠期間是否也會發生類似的競爭性相互作用。睡眠的機製和功能是複雜的，並且在任何動物中仍然知之甚少。爬行動物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複雜性。例如，在REM睡眠期間，雙邊競爭的功能相關性是什麼?在清醒狀態下，中腦回路和前腦幽門之間的活動是如何協調的?以及在調節REM和SWS之間的過渡中，等神經回路的作用是什麼?

        原文鏈接：

        https://www.nature.com/articles/s41586-023-05827-w