我们睡觉时大脑里会发生什么?

来源:  作者: 我要纠错


当我们沉睡时大脑里会发生什么?睡眠的不同阶段是什么?它们在学习和记忆形成中扮演什么角色?那焦虑和痛苦呢?神经元和神经递质也起作用吗?这些都是我们将在这个特殊功能中解决的问题,使用现有的最新证据。
我们收集了神经科学证据,这些证据有助于解释人类大脑在睡觉时复杂的工作方式。
科学家们普遍认为四个阶段我们每晚都会经过几次睡眠。前三种形式是所谓的非快速眼动(REM)睡眠,第四种是快速眼动睡眠--梦发生在那里。

在第一个非快速眼动阶段,身体和大脑从觉醒过渡到睡眠.大脑改变它的电振荡,从活跃的,清醒的模式脑电波变成一个较慢的节奏。

全身肌肉张力放松。这是我们进入睡眠时身体可能会抽搐的阶段。

第二个非快速眼动期涉及体温下降,心跳和呼吸变慢,脑电波进一步减慢。大脑中短暂的电活动可能仍然是这一阶段睡眠的特征。

非快速眼动睡眠的第三阶段是深度睡眠阶段,我们的身体需要唤醒,感觉恢复和恢复。在这个阶段,心率、呼吸和大脑活动都下降到了最低点。

快速眼动,充满梦想的轻睡眠阶段是第四个,也是最后一个。根据国家神经疾病和中风研究所(NINDS),REM发生在90分钟后入睡。

第一次快速眼动睡眠时间大约为10分钟,随着快速眼动周期的增加而增加。快速的眼球运动被称为是因为眼睛在紧闭的眼睑后面快速移动。

在快速眼动期间,呼吸变得更快和不规则,心率和血压上升到接近清醒的水平。关于快速眼动睡眠的一个有趣的事实是,随着年龄的增长,人们对快速眼动睡眠的体验越来越少。

Circadian rhythms and sleep-controlling neurons
控制睡眠的两大主要因素之一是“每日周期之后的生理、心理和行为变化”--即所谓的“身体、心理和行为变化”。昼夜节律。“昼夜节律”一词来自拉丁文。马卡,意思是“周围”和冲模,意思是“一天”

昼夜节律响应于光明-黑暗的循环基因预先确定的,至少部分是由所谓的生物钟决定的--在人体每个组织和器官的细胞内相互作用的蛋白质。

视交叉上核, 大脑中由一群人组成的结构20,000个神经元或神经细胞,协调所有生物钟。

第二,睡眠-清醒平衡还跟踪一个人对睡眠的需求,并在他们昏昏欲睡时作出规定。所谓的“稳态睡眠驱动”是随着一个人醒来的时间而增加的。它对大脑活动和神经元间连接的明显影响是有据可查.


Sleep, memory, and learning 
睡眠与学习或记忆形成之间的关系一直是许多研究的焦点。科学家确信睡眠对学习至关重要,但哪个阶段的睡眠更重要?

学习是发生在轻度快速眼动睡眠阶段,还是在深度、非快速眼动睡眠阶段?不同脑区的神经元如何在睡眠阶段进行协调,以促进学习和记忆的巩固?

两项研究今日医学新闻关于帮助阐明这些问题的报道。

睡眠有助于大脑学习和保持灵活性。
在第一个学习在要求参与者学习一套新的动作后,实验者篡改了研究参与者的深度非快速眼动睡眠阶段。科学家们在整个研究过程中监控了参与者的大脑活动--他们的运动皮层。

这个由瑞士科学家领导的研究小组发现,不安的深度睡眠会明显降低学习效率。研究人员解释说,他们的结果取决于大脑的突触及其在学习中的作用。

突触是神经元与大脑化学物质或神经递质之间的微观联系,它们促进电脉冲从一个神经元传递到另一个神经元。白天,突触会对大脑从环境中接收到的刺激做出反应。

但在睡眠期间,这些突触的活动恢复正常。如果没有这个恢复性时期,他们会为自己的活动高峰而兴奋太久。

这会干扰大脑神经可塑性-也就是说,它重新连接自己并在神经元之间建立新的连接的能力。神经可塑性使大脑能够“掌握”新技能,改变和适应环境刺激,最终学习新事物。

尼科尔·温德罗斯(Nicole Wenderoth)是苏黎世大学卫生科学与技术部(Department Of Health Science And Technology)的教授,也是他们的共同作者,她解释了他们的新研究中发生

在大脑强烈兴奋的区域,学习效率饱和,不能再改变,从而抑制了运动技能的学习。

据作者所知,这是第一项研究,显示了深度睡眠阶段与学习效率之间的因果关系。“我们已经开发了一种方法,可以让我们降低大脑某一部分的睡眠深度,从而证明深度睡眠与学习效率之间的因果关系,”研究的合著者雷托·胡伯教授说。

睡眠也帮助我们忘却。
第二项研究MNT关于不同睡眠阶段的报道。然而,这项研究表明,睡眠不仅能使大脑学习新事物,而且还能使大脑无法学习。

原版2017年研究包括听觉学习任务。研究人员在参与者睡着和清醒时播放声音序列。

他们用脑电图(EEG)监测志愿者的脑电活动。

脑电图还捕获睡眠纺锤发生时,睡眠大脑学习新的声音。睡眠纺锤体是大脑振荡活动中的尖峰,以前的研究已经将其与学习和记忆巩固联系在一起。

每次睡眠后,实验者要求参与者重新聆听声音序列并识别它们。他们通过测试来评估他们的学习成绩。

利用脑电图读数,科学家们研究了三个睡眠阶段:快速眼动睡眠、轻度非快速眼动睡眠和深度非快速眼动睡眠。

在快速眼动睡眠或轻度非快速眼动睡眠中暴露于声音时,参与者在清醒时能更好地识别他们。但是,当在深度非快速眼动睡眠中暴露于新的声音时,他们在清醒时很难识别声音序列。

同时,科学家们报告说,“在轻度[非REM]睡眠中很容易观察到学习的EEG标记物,而在深度[非REM]睡眠中则明显缺乏。”

此外,更重要的是,参与者不仅很难识别研究人员在深度非快速眼动睡眠中向他们播放的声音,而且与全新的声音相比,他们还发现更难(重新)学习这些声音。

研究结果表明,深度非快速眼动睡眠与其说是为了学习新事物,不如说是为了压制信息。

“最令人惊讶的是大脑不学习的能力。因此,在睡眠过程中,我们要么形成新的记忆,要么学习,要么做相反的事情:压抑记忆而不学习。“

-Thomas Andrillon,研究第一作者

它们也增加了深睡眠有助于维持神经可塑性的证据。具体来说,轻度非快速眼动睡眠(第二阶段)可能有助于刺激突触,而深度非快速眼动睡眠可能有助于放松,或“向下”。

作者写道:“光(非REM)和深度(非REM)睡眠之间的这种对比与这两个睡眠阶段与神经可塑性的定性区别是一致的。”根据这一观点,轻[非REM]睡眠有利于突触增强,而深度[非REM]睡眠则倾向于突触缩小。

他们补充说:“我们不建议在睡眠中提供的信息对抑制作用起到任何作用。”“相反,这似乎是用于稳态目的所需的突触缩小的必然副产品。”

换句话说,深度睡眠可能帮助我们忘记或忘记,因为遗忘是保持神经可塑性的自然副产品;遗忘是我们学习能力的副产品。

统一睡眠理论
Andrillon和他的同事也解释说,他们的发现是有意义的,因为他们帮助统一了两个以前相互矛盾的思想流派。人们认为睡眠的主要功能是学习和巩固新的信息。另一个则认为它是为了不压倒大脑而丢弃无用的信息。

随着科学家们收集越来越多关于睡眠如何工作的神经科学证据,显然,总的来说,这种划分和二分法可能不是研究睡眠或睡眠在学习中所起作用的最有用的方法。

例如,学习上个月才发表的报告显示,快速眼动睡眠和非快速眼动睡眠共同促进学习。

也就是说,非快速眼动睡眠通过恢复灵活性和神经可塑性来提高新获得的技能的表现,而快速眼动睡眠则稳定这些改善,并阻止新的学习从消除它们。

这项新的研究开始于上述研究似乎强调的相同假设--睡眠必须加强突触和白天产生的神经元连接(以巩固新知识并防止其被新信息覆盖)。然而,它也必须“缩小”或放松或削弱突触,以保持它们的灵活性和大脑的神经可塑性。

这项研究由来自普罗维登斯布朗大学认知、语言和心理科学系的玉崎正子(Masako Tamaki)领导,其中包括一项视觉学习任务。研究人员给一组参与者分配了两项不同的任务,一项在睡眠前,一项在睡眠后。另一组没有收到任何学习任务。

科学家们使用了MRI扫描仪和电极,将其应用于参与者的头部和眼睑。他们还使用磁共振波谱法测量了神经可塑性(或突触的柔韧性)和稳定性所涉及的两种大脑化学物质。

Tamaki和研究小组发现,在非快速眼动睡眠期间,神经可塑性增强。这与更好的学习和任务表现有关。后睡吧。

在REM睡眠中,参与者的神经可塑性下降,这与他们所学知识的稳定性有关。研究人员假设,快速眼动睡眠有助于防止睡眠前的学习被随后的学习所覆盖。

与非快速眼动睡眠不同的是,研究人员只在有学习任务的志愿者中看到快速眼动睡眠期间可塑性的急剧下降。

用研究人员的话说:“无论睡眠前学习是否发生,NREM(非REM)睡眠期间的[神经可塑性]都会增加,但这与睡眠后的表现相对于睡眠前的表现有关。相反,在快速眼动睡眠期间,(神经可塑性)下降,但仅在睡眠前训练后,这种下降与睡眠前学习的稳定有关。“

这些发现表明,NREM睡眠促进可塑性,导致独立于学习的表现增益,而REM睡眠降低可塑性,以特定的学习方式稳定学习。

-玉崎正子等人.

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The neurons that make us forget dreams
不仅突触可以帮助或阻碍睡眠中的学习过程,而且神经元本身也是如此。一些研究人员已经确定了特定的神经元在记忆形成中的关键作用,帮助我们“主动忘记”梦。

例如,研究刊登在杂志上科学已经在海马中找到了一些神经元,这是一个对形成记忆和学习至关重要的大脑区域。

日本名古屋大学的山中明一郎博士和他的同事们对这些神经元进行了实验,这些神经元产生了一种有助于调节睡眠和食欲的黑素浓缩激素(MCH)。

Yamanaka和研究小组在小鼠身上进行了实验,结果表明,在快速眼动睡眠期间,这种“产生MCH的特定神经元群的放电控制着大脑在睡好觉后是否会记住新的信息”。

从基因上删除小鼠的这些神经元表明,这些细胞“有助于大脑主动忘记新的、可能并不重要的信息”。更重要的是,这些发现指出了这些神经元在遗忘梦中的作用。

作者之一托马斯·基尔杜夫博士解释道,他是位于加州门洛帕克的SRI国际研究所神经科学中心的主任。

“由于人们认为梦主要发生在快速眼动睡眠期间,即MCH细胞开启的睡眠阶段,激活这些细胞可能会阻止梦的内容储存在海马体中--因此,梦很快就会被遗忘。”


Sleep eases pain and anxiety in the brain
睡眠的神经科学有助于解释睡眠如何帮助我们学习和忘记。它也揭示了睡眠的止痛和抗焦虑效果。

例如,学习去年发表的一项研究发现,在睡眠不足的参与者中,与疼痛敏感相关的大脑区域(称为躯体感觉皮层)是多动的。研究结果表明,睡眠不足会干扰大脑的疼痛处理神经回路。

此外,同一项研究还发现,睡不着觉后,大脑伏隔核区的活动已经下降。伏隔核释放神经递质多巴胺,增加快感,减少疼痛感。

“睡眠丧失不仅放大了大脑中的痛觉区域,还阻断了自然的镇痛中心,”资深研究作者马修·沃克解释道。神经科学加州大学伯克利分校的心理学。

研究小组还发现,负责评估疼痛信号和准备疼痛反应的脑岛在睡眠不足的人群中也不活跃。

这项研究的主要作者亚当·克劳斯(Adam Krause)指出,失眠干扰了“评估和分类疼痛信号的关键神经系统,并让人体的天然止痛药得以拯救”。

深度睡眠缓解关键脑区焦虑
关于睡眠的抗焦虑作用磁共振成像扫描和多导睡眠图显示大脑的内侧前额叶皮层是关键。在一些人失眠的夜晚之后,这个区域就失去了活力。研究由同一位沃克教授共同领导。

先前的研究表明,内侧前额叶皮层有助于平静焦虑和减少压力水平。在沃克教授的研究中,其他与加工情绪相关的区域在睡眠不足的患者中表现出多动。

“没有睡眠,”沃克教授解释说,“就好像大脑在情绪加速器踏板上太重,没有足够的刹车。”科学家们报告说,在他们的研究中,一个失眠的夜晚导致焦虑水平上升了30%。

此外,研究还发现,在一整晚睡眠后,焦虑水平会下降,而在深度非快速眼动睡眠阶段花费更多时间的参与者,这种下降幅度更大。

“深度睡眠恢复了大脑的前额叶机制,调节了我们的情绪,降低了情绪和生理反应,防止了焦虑的升级。”

 

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