尽管人们都知道睡眠能提高认知能力，但其背后的神经机制，尤其是非快速眼动睡眠的神经机制，在很大程度上仍未得到探索。然而，由莱斯大学的瓦伦丁-德拉戈伊（Valentin Dragoi）协调，来自莱斯大学、休斯顿卫理公会神经系统修复中心和威尔康奈尔医学院的研究团队进行的一项新研究发现了睡眠改善神经和行为表现的一个关键机制，有可能改变我们对睡眠如何优化大脑表现的基本认识。

该研究发表在《科学》（Science）杂志上，展示了 快速眼动睡眠（NREM）–例如小睡时的浅睡眠–如何促进大脑同步和改善信息编码，为这一睡眠阶段带来了新的启示。研究人员使用侵入性刺激复制了这些效果，这为未来在人体中使用神经调节疗法提供了广阔的前景。这一发现的意义可能会为睡眠障碍的创新疗法，甚至是提高认知和行为表现的方法铺平道路。

睡眠如何提升表现

这项研究包括对猕猴多个脑区的神经元活动进行调查，同时让动物在30分钟的NREM睡眠阶段前后执行视觉辨别任务。研究人员使用多电极阵列记录了三个脑区成千上万个神经元的活动：初级和中级视觉皮层以及背外侧前额叶皮层，它们与视觉处理和执行功能有关。为了确认猕猴处于非快速眼动睡眠状态，研究人员使用了多导睡眠监测仪来监测它们的大脑和肌肉活动，并进行了视频分析，以确保它们的眼睛是闭着的，身体是放松的。结果显示，睡眠提高了动物在视觉任务中的表现，使它们能够更准确地区分旋转图像。重要的是，这种改善只发生在那些真正睡着的猕猴身上–那些醒着但平静地没有睡着的猕猴并没有表现出同样的表现改善。

“第一作者娜塔莎-卡拉斯（Natasha Kharas）博士曾是德拉古斯博士实验室的博士后，目前在威尔康奈尔大学从事神经外科工作。然而，在睡眠之后，神经元的活动相对于睡眠变得不同步，使神经元能够更加独立地发射。这种转变提高了信息处理的准确性和视觉任务的表现。

研究人员还通过低频电刺激视觉皮层来模拟睡眠对神经的影响。他们在动物清醒时使用4赫兹的刺激来模拟NREM睡眠时观察到的δ频率。这种人工刺激再现了睡眠后观察到的去同步化效应，并同样提高了动物的任务表现，这表明特定的电刺激模式有可能用来模拟睡眠对认知的益处。

开发脑刺激治疗技术以改善认知功能和记忆力

这项研究的合著者、莱斯大学电子与计算机工程教授、休斯顿卫理公会神经假肢罗斯玛丽和丹尼尔-J-哈里森三世总统特聘教授、威尔康奈尔大学神经科学教授德拉戈伊认为，这一发现意义重大，因为它表明睡眠的某些恢复和提高性能的效果可以在没有实际睡眠的情况下实现。在清醒状态下重现类似睡眠的神经元非同步化的能力，为在无法入睡的情况下提高认知和感知能力开辟了新的可能性，比如对于患有睡眠障碍的人或在太空探索等挑战性环境下。

研究人员通过建立一个大型神经网络模型进一步研究了他们的研究成果。他们发现，在睡眠期间，大脑中的兴奋性和抑制性连接都会减弱，但不对称，因此抑制性连接的减弱程度大于兴奋性连接，从而导致兴奋性增加。他们发现了大脑在睡眠后采用的一种令人惊讶的解决方案，即参与任务的神经元群在睡眠后会降低其同步程度，尽管它们在睡眠期间本身会接收同步脉冲。

NREM睡眠能以这种方式有效’重启’大脑，而且这种重启可以被人为模拟，这一观点为开发治疗性脑刺激技术以增强认知功能和记忆力提供了可能。”德拉戈伊说：”这项研究不仅加深了我们对睡眠对认知功能的作用的机理理解，而且开辟了新的领域，表明某些脑刺激模式可以取代睡眠的某些益处，这表明未来我们可以不依赖睡眠本身来增强大脑功能。