睡眠的“原始脉搏”：超慢节律揭示爬行动物与哺乳动物共享的古老脑波

2026-04-19 17:24 bioguider 新京报阅读 0

核心摘要： 研究发现，所有羊膜动物在睡眠时共享一种周期约50-100秒的超慢脑节律。该节律与心跳、呼吸、眼动等同步振荡，暗示睡眠的基本架构可能在三亿年前就已奠定。超慢节律在蜥蜴、鸽子和哺乳动物中均存在，且特性相似，表明其为一种古老的睡眠调节机制。该发现重新定义了睡眠的演化，并对理解睡眠障碍和神经退行性疾病具有重要意义。

从鬃狮蜥到人类，从鸽子到大鼠，一项跨越七个蜥蜴物种和三种哺乳动物的研究发现，所有羊膜动物在睡眠时都共享一种周期约50-100秒的超慢脑节律。这一节律与心跳、呼吸、眼动乃至变色龙皮肤亮度同步振荡，暗示睡眠的基本架构可能在三亿年前就已奠定。

睡眠研究长期被一个看似简单的问题困扰：快速眼动睡眠（REM）和非快速眼动睡眠（NREM）的交替，究竟是哺乳动物和鸟类的“专利”，还是爬行动物早已拥有的古老遗产？2025年12月29日，《自然-神经科学》发表的一项跨国合作研究，用一种全新的视角重新审视了这个问题。研究者没有执着于寻找REM/NREM的二分证据，而是将目光投向了一个更基础、更缓慢的生理节律——超慢节律（infraslow rhythm）。

从“睡眠分期”到“超慢振荡”

传统睡眠研究依赖脑电图中的快节律特征——比如睡眠纺锤波、K复合波和快速眼动——来划分睡眠阶段。然而，这些特征在爬行动物脑中要么不存在，要么难以辨认。数十年来，科学家围绕“蜥蜴有没有REM睡眠”争论不休，证据始终莫衷一是。

本研究团队另辟蹊径。他们注意到，哺乳动物睡眠中存在一种周期长达数十秒至数分钟的超慢振荡：大脑皮层兴奋性、神经元放电率、瞳孔大小、心率甚至脑血管容量，都会以约0.01-0.02 Hz的频率（即50-100秒一个周期）规律波动。这种节律在NREM睡眠中尤为明显，被认为是睡眠深度和睡眠稳态的核心调节器。2025年初，同一团队已在《自然-神经科学》发表研究，证实蓝斑去甲肾上腺素能神经元的超慢活动波动是NREM-REM周期转换的“守门人”。

如果超慢节律是睡眠的基本组织原则，那么它应该比REM/NREM二分法更古老、更保守。验证这一假说，需要在演化树的更远端——爬行动物中寻找证据。

七种蜥蜴，同一个节律

研究团队在七种蜥蜴（包括鬃狮蜥、阿根廷黑白泰加、绿安乐蜥、豹纹守宫等）的大脑背侧室嵴（DVR，功能上类似哺乳动物的皮层-杏仁核复合体）植入电极，记录了跨昼夜的局部场电位。同时，他们同步采集了眼电、肌电、心电和呼吸信号。

结果令人震惊：所有七种蜥蜴在睡眠时，脑电β频段（10-30 Hz）功率均呈现出清晰的超慢振荡，周期约80-120秒（图1，Extended Data Fig. 1）。这一节律在觉醒时几乎消失，而在黑暗期（蜥蜴的主要休息时段）最为显著。值得注意的是，尽管β功率被用作节律的“读数”，但超慢振荡实际上是全频段现象——δ、θ、α、σ等频段的功率也以相同周期同步起伏（Extended Data Fig. 3）。

更关键的是，这种脑节律并非孤立存在。它精准地与一系列外周生理信号锁相耦合：

心率和呼吸：在大多数蜥蜴中，β功率与心率呈正相关，呼吸速率也以相同周期波动（Extended Data Fig. 4，Extended Data Fig. 9）。
眼动和肌张力：眼动密度和肌肉张力同样跟随超慢节律起伏。
变色龙皮肤亮度：研究者在三个变色龙个体上进行了视频分析，发现其皮肤亮度变化（从绿到黄再回到绿）与脑β功率的振荡完美同步（Extended Data Fig. 9，Supplementary Video 2）。

这意味着，超慢节律不仅是大脑的内部时钟，更是一个全身性的、跨器官系统的协调信号。

脑血管的“潮汐”

为了验证超慢节律是否影响大脑的能量供应，研究团队使用功能性超声成像（fUS）技术，在鬃狮蜥和小鼠中实时监测了睡眠期间的脑血容量（CBV）变化。结果同样惊人：蜥蜴睡眠时，全脑CBV以约100秒的周期规律性地“涨潮”和“退潮”，且这一波动与β功率的超慢振荡高度耦合（图3，Extended Data Fig. 6，Supplementary Video 1）。小鼠NREM睡眠中也观察到类似现象，周期约50秒。

CBV的超慢波动覆盖了所有脑区——皮层、DVR、间脑、中脑、脑干——无一例外。这意味着，在超慢节律的每个周期中，大脑都会经历一次血流量和能量底物供应的全局性脉冲。这种“脑血管潮汐”可能为睡眠中的突触重塑和代谢废物清除提供了节律性的动力支持。

演化时钟：三亿年前的遗产

蜥蜴（有鳞目）与哺乳动物的共同祖先生活在大约3.2亿年前的石炭纪。如果超慢节律在两类动物中都存在且特性相似，最简洁的解释是：它继承自二者最后一个共同祖先——也就是所有羊膜动物（爬行类、鸟类、哺乳类）的祖先。

为检验这一假说，研究者还分析了来自鸽子的已有数据。鸽子是鸟类的代表，而鸟类与爬行动物的亲缘关系比哺乳动物更近。结果显示，鸽子的睡眠脑电中同样存在超慢节律，且其与心率的耦合模式与蜥蜴如出一辙（Extended Data Fig. 1，Extended Data Fig. 4）。人类睡眠数据也验证了β功率超慢振荡的存在。

这一跨物种的保守性，强烈暗示超慢节律是羊膜动物睡眠的基础性架构。它可能早于REM/NREM睡眠的分化，是更古老的睡眠调节机制。事实上，头足类动物（如章鱼、墨鱼）也被报道存在睡眠状态的周期性交替，周期约30-60分钟——虽然时间尺度更长，但“睡眠由内在节律组织”这一原则，或许可追溯至更遥远的共同祖先。

重新定义睡眠的演化

这项研究对睡眠演化领域具有颠覆性意义。过去，科学家执着于在爬行动物中寻找类似哺乳动物的REM睡眠证据，但结果始终模棱两可。本研究提示，问题的框架可能本身就是错的：我们不应该问“爬行动物有没有REM睡眠”，而应该问“哺乳动物REM/NREM二分法是如何从更古老的超慢节律中演化出来的”。

一个合理的推测是：在早期羊膜动物中，睡眠由单一的超慢节律主导，大脑在“高兴奋性”和“低兴奋性”状态之间缓慢摆动。后来，在哺乳动物和鸟类的演化支系中，这种连续摆动的两端分别被“捕获”并强化，各自发展出独特的电生理特征（如REM期的θ波和肌张力丧失，NREM期的慢波和纺锤波），最终形成了我们熟悉的双相睡眠结构。而在爬行动物中，睡眠仍保持着更接近祖先形式的连续谱特征。

临床意义与未来方向

超慢节律并非纯粹的演化化石。在人类中，超慢振荡的异常与失眠、睡眠呼吸暂停和神经退行性疾病密切相关。有研究显示，阿尔茨海默病患者睡眠期间脑血管的超慢波动幅度显著降低，可能损害大脑清除β-淀粉样蛋白的效率。

本研究建立的跨物种分析框架，为理解这些疾病提供了新的切入点。爬行动物作为睡眠结构更“简单”的模型，可能帮助科学家分离出超慢节律的核心调控回路——这对于开发靶向睡眠节律的药物和干预手段具有重要价值。

从变色龙皮肤的颜色脉动，到蜥蜴脑血管的潮汐，再到人类深睡时蓝斑神经元静默的节奏——一条贯穿三亿年的古老节律，仍在每个夜晚为我们的大脑奏响。

参考文献：
Bergel, A., Schmidt, J.M., Barrillot, B. et al. Sleep-dependent infraslow rhythms are evolutionarily conserved across reptiles and mammals. Nat Neurosci 29, 543–550 (2026).