睡眠和清醒是两种截然不同的意识状态，长期以来，科学家通过脑电波来区分它们：睡眠时，大脑呈现缓慢、持久的波动，周期约为十分之一秒。然而，一项新研究首次发现，睡眠状态可以通过仅持续几毫秒的神经活动模式来检测，这比传统认知快1000倍，揭示了研究意识控制的新方法。研究还表明，大脑的一小部分区域可以瞬间“闪现”清醒，而其余部分仍处于睡眠状态，反之亦然。

这项发表在《自然神经科学》上的研究，由华盛顿大学圣路易斯分校的Keith Hengen和加州大学圣克鲁兹分校的David Haussler领导，博士生David Parks和Aidan Schneider共同完成。经过四年研究，他们训练了一个神经网络分析海量脑电波数据，发现了前所未有的高频模式，挑战了睡眠和觉醒的神经基础传统观念。

“借助强大工具和新计算方法，挑战基本假设并重新审视‘什么是状态’至关重要，”Hengen说。“睡眠或清醒是行为的主要决定因素，其他一切由此开始。如果我们不了解它们的本质，就会错失良机。”Haussler打趣道：“我们惊讶地发现，当大脑其他部分清醒时，某些区域会短暂‘小憩’，尽管许多人可能怀疑配偶有此现象，但缺乏性别偏见才更令人惊讶。”

了解睡眠

神经科学家通过记录电生理数据研究大脑，观察电压波的变化。研究人员对小鼠数据进行分析，这些小鼠佩戴轻便耳机，连续数月记录10个大脑区域的活动，精度达微秒级。数据量达PB级（百万GB）。David Parks将原始数据输入人工神经网络，该网络能发现高度复杂的模式，区分睡眠和清醒数据，并发现人类可能遗漏的模式。

Parks知道睡眠传统上由慢波定义，因此他将越来越小的数据块输入网络，让其预测大脑状态。结果发现，模型仅凭几毫秒数据就能区分睡眠和清醒，这令人震惊——因为模型不可能依靠慢波来学习区别。就像听一首歌的千分之一秒无法判断节奏一样，模型不可能通过随机孤立的几毫秒信息学习几秒内发生的节奏。

“我们看到了前所未有的信息细节，”Haussler说。“以前认为那里什么也找不到，所有信息都在低频波中。这篇论文表明，如果忽略常规测量，只看千分之一秒的高频细节，就足以判断组织是否处于睡眠状态。这告诉我们，在非常快的时间尺度上正在发生一些事情——这对睡眠机制是一个新线索。”

Hengen起初怀疑，因为结果与神经科学基本概念矛盾。他要求更多证据。“这让我反思：‘我的信念基于多少证据？需要什么证据才能推翻它们？’这像一场猫捉老鼠的游戏，我一次次要求David提供更多证据，而他回来说‘看看这个’。作为科学家，让学生一砖一瓦拆除这些塔楼，而我必须接受，这很有趣。”

局部模式

由于神经网络是黑匣子，Parks开始剥离时间和空间信息层，试图了解模型学习的内容。最终，他们观察仅一毫秒长、电压波动频率最高的数据块。“我们提取了神经科学一个世纪以来用于理解、定义和分析睡眠的所有信息，并问：‘模型在这些条件下还能学习吗？’”Parks说，“这让我们能研究之前未理解的信号。”

通过分析，他们确定仅几个神经元之间的超快活动模式是模型检测睡眠的基本要素。这种模式无法用传统慢波解释。研究人员假设慢波可能协调快速局部活动，但最终认为快速模式更接近睡眠本质。如果将慢波比作棒球场中成千上万人的波浪运动，那么快速模式就是少数人决定参与波浪的对话——这些对话对波浪运动至关重要，且与体育场气氛更直接相关。

观察闪烁

进一步研究超本地活动模式时，研究人员注意到另一个现象：模型会检测到大脑某个区域瞬间清醒，而其他区域处于睡眠状态；或清醒时一个区域瞬间进入睡眠。他们称这些为“闪烁”。

“我们可以观察这些神经元放电的单个时间点，很明显它们正在转变为不同状态，”Schneider说。“在某些情况下，闪烁可能仅限于单个大脑区域，甚至更小。”这促使研究人员探索闪烁对睡眠功能的意义及其对行为的影响。“假设你醒着时，大脑一小部分进入睡眠——这是否意味着你的行为突然像睡着了？我们发现情况往往如此，”Schneider说。

观察小鼠行为时，研究人员发现，当大脑某个区域闪烁进入睡眠而其他部分清醒时，小鼠会暂停一秒钟，几乎像进入梦乡。睡眠期间的闪烁（一个区域“醒来”）会通过动物抽搐反映。闪烁尤其令人惊讶，因为它们不遵循大脑在清醒、非快速眼动睡眠、快速眼动睡眠之间顺序移动的规则。“我们看到了从清醒到REM、从REM到非REM的闪烁——所有可能的组合，打破了一百年文献预期的规则，”Hengen说。“我认为它们揭示了宏观状态——整个动物层面的睡眠和清醒，与大脑中基本状态单位——快速和局部模式之间的分离。”

影响

深入了解高频模式及清醒与睡眠之间的闪烁，有助于研究神经发育和神经退行性疾病，这些疾病与睡眠失调有关。Haussler和Hengen的团队对进一步了解这种联系感兴趣，Haussler计划在脑器官模型中研究这些现象。“这为我们提供了一把非常锋利的手术刀，用于解决这些疾病和障碍，”Hengen说。“我们对睡眠和清醒了解越多，就越能解决相关的临床问题。”从基础层面看，这项工作推动了对大脑作为控制行为、情感等器官的多层次复杂性的理解。