你的大腦可以一半睡覺，一半清醒嗎？比如一邊睡覺，一邊做物理題！

2020-10-18 天文物理

有些動物，如鳥類、海豚和鯨魚，可以進行半腦睡眠，即大腦的一個半睡覺，而另一個半保持清醒。保持半醒狀態可以讓動物「睜大眼睛」觀察捕食者，也可以讓候鳥連續幾天甚至幾周不間斷地飛行。儘管人們還不知道大腦一半的睡眠是否會發生在人類身上，但現在研究發現，當人類第一次在一個新地方經歷有問題的睡眠時，他們也會表現出類似的睡眠方式，這被稱為「第一晚效應」。

這種影響涉及到兩個半腦之間的不對稱動力學：當右半腦處於正常的慢波睡眠時，左半腦經歷較淺的睡眠，這表明它可能保持部分警覺。現在，在一項新的研究中，科學家進一步研究了這種睡眠活動的潛在機制，以便在人腦中建立一個單半腦睡眠的模型，其研究發表在《Europhysics Letters》上。柏林技術大學理論物理學教授、共同作者埃克哈德·肖爾(Eckehard Scholl)說：

我們的研究表明，人類大腦兩個半腦的自發動態對稱性破壞也是可能的。由於不同睡眠階段與不同程度的同步有關，研究人員認為某種弱形式的大腦半腦睡眠，即在大腦半腦不同的睡眠深度，很可能發生在人類身上，而不僅僅是鯨魚、海豚、海豹和候鳥身上。

在人類大腦中，睡眠和清醒狀態可以通過它們不同形式的活動來區分。當清醒時，大腦中的神經元以一種異步、有點混亂的方式活動，而睡眠中的神經元則以一種更同步的方式活動。先前的研究表明，大腦的兩個半腦可以看作是振蕩器的兩個耦合群體，因為兩個半腦以協調的方式產生電信號。從這個角度來看，當大腦處於兩個共存區域的狀態時，即一個同步的(睡眠)半腦和一個不連貫的(清醒)半腦，就會發生單半腦睡眠，在物理學中，這種以有序和無序共存為特徵的狀態被稱為「嵌合體狀態」。

研究人員使用來自90個不同大腦部位20個人的MRI數據，研究了大腦如何從不連貫(清醒)過渡到同步(睡眠)。每個半腦內部的耦合(半球內耦合)比兩個半腦之間的耦合(半球間耦合)更強。通過在模型中保持半腦內耦合強度不變的同時降低半腦間耦合強度，觀察到一個半腦比另一個半腦表現出更多的同步活動。類似於半腦睡眠和嵌合體狀態，此前人們曾推測『嵌合體狀態』可能會在自然界中以單半腦睡眠的形式出現(這是某些動物的特點)，但並沒有給出真實的模型。

新研究的意義在於，首次利用人類大腦的經驗聯繫，通過模擬兩個大腦半腦的動力學，證明了與半腦睡眠類似的部分同步確實可以發生。此外，已經確定了這一機制依賴於半腦內(強)和半腦間(弱)耦合的不同強度。研究結果支持了這樣一種觀點，即單半腦睡眠需要兩個半腦之間有一定程度的分離。研究人員發現，這種分離可能是由於大腦的結構不對稱造成。例如，眾所周知，兩個半腦對應的大腦區域大小不同，這些區域內的神經元密度也不同。

根據研究模型，研究人員發現，即使是輕微的結構不對稱，也會導致動態不對稱，其中一個半腦比另一個半腦表現出更多的同步發射模式，就像在嵌合體狀態一樣。因此，總的來說，大腦結構不對稱可能解釋了大腦半腦睡眠的潛在機制和相關的首夜效應，但許多問題仍然沒有答案。在未來的研究中，計劃在模型(該模型使用了人類大腦經驗結構連接的動力學)中，針對以下問題更深入地研究大腦半腦的睡眠狀態。

大腦哪些區域是同步的，哪些不是？能識別出大腦中的一種中繼嗎？它負責協調大腦不同區域之間的同步？這種中繼同步與記憶、學習或感知有何關係？同時，研究人員正在研究癲癇發作，這與大腦自發的強同步有關，如何啟動和終止。由自然結構不對稱引起的半腦之間的動力不對稱。引入半腦間耦合強度作為局部同步模式的控制參數，可以增強系統動力學的不對稱性。研究了一個最小模型，闡明了人類大腦中單半腦睡眠的模式，其中一個半球睡覺，而另一個半球保持清醒。

博科園｜Copyright Science X Network/Lisa Zyga,Phys

參考期刊《Europhysics Letters》

DOI: 10.1209/0295-5075/126/50007

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