Nature子刊首次提供直接证据，证明睡眠可以恢复大脑的计算能力

　　通过融合物理学和生物学领域的概念，华盛顿大学的研究人员构建了一个理论，可以解释睡眠的意义和大脑的复杂性。他们跟踪了睡眠中的老鼠的大脑活动，以证明大脑需要定期重置其操作系统以达到“临界”状态，这是一种优化思考和处理的状态。

　　

睡眠是一种基本需求，就像食物和水一样。“没有它你会死的，”圣路易斯华盛顿大学(Washington University in St. Louis)生物学助理教授Keith Hengen说。但是睡眠到底有什么作用呢?多年来，研究人员所能说的最好的说法是睡眠能减少困倦——这很难令人满意地解释生命的基本需求。

但通过融合物理学和生物学领域的概念，Hengen研究团队构建了一个理论，可以解释睡眠的意义和大脑的复杂性。发表在《自然神经科学》(Nature Neuroscience)杂志上的一项新研究报告称，他们追踪了睡眠大鼠的大脑活动，证明大脑需要定期重置其操作系统以达到“临界”状态，即优化思维和处理的状态。

“大脑就像一台生物计算机，”Hengen说。清醒时的记忆和经验一点一点地改变着代码，慢慢地将更大的系统拉离理想状态。睡眠的核心目的是恢复最佳的计算状态。”

该论文的合著者Ralf Wessel说，物理学家30多年来一直在研究临界状态，但他们从未想到这项工作会对睡眠产生影响。在物理世界中，临界描述的是存在于有序和混乱之间的临界点上的复杂系统。“在一个极端，一切都是完全有规律的。在另一个极端，一切都是随机的。

临界性最大化了信息的编码和处理，使其成为神经生物学一般原理的一个有吸引力的候选者。在2019年的一项研究中，亨根和韦塞尔证实，大脑会积极工作以保持临界状态。

在这篇新论文中，研究小组首次提供了直接证据，证明睡眠可以恢复大脑的计算能力。长期以来，人们一直认为睡眠必须以某种方式补充醒着时消耗的神秘和未知的化学物质，而这一假设与此截然不同。

在他们2019年的论文发表后，两位学者提出了一个理论，即学习、思考和清醒必须使大脑远离临界状态，而睡眠是重置系统的完美选择。“我们意识到，这将是对睡眠核心目的的一个非常酷且直观的解释。睡眠是解决系统问题的系统级解决方案。”

为了验证他们关于临界状态在睡眠中的作用的理论，研究人员追踪了年轻老鼠在正常睡眠和清醒时大脑中许多神经元的峰值。“你可以通过神经网络跟踪这些小的级联活动，”这些级联也被称为神经雪崩，反映了信息是如何在大脑中流动的。在危急时刻，各种规模和持续时间的雪崩都可能发生。在远离临界状态的情况下，系统变得只偏向于小雪崩或大雪崩。这类似于写一本书，只能使用短词或长词。”

正如预测的那样，刚刚从恢复性睡眠中醒来的老鼠发生了各种规模的雪崩。在清醒的过程中，瀑布开始向越来越小的尺寸转移。研究人员发现，他们可以通过跟踪雪崩的分布来预测老鼠何时入睡或醒来。当级联大小减小到一定程度时，睡眠就不远了。

Hengen说:“研究结果表明，每一个醒着的时刻都会推动相关的大脑回路脱离临界状态，而睡眠有助于大脑复位。”

当物理学家在20世纪80年代末首次提出临界概念时，他们正在研究棋盘状网格上的沙子堆，这种场景似乎与大脑相距甚远。但Wessel说，这些沙堆提供了一个重要的见解。如果成千上万的谷物按照简单的规则落在网格上，堆很快就会达到一个临界状态，有趣的事情开始发生。大大小小的雪崩都可能毫无征兆地开始，一个广场上的碎石堆开始向其他广场蔓延。他说:“整个系统自身组织成极其复杂的东西。”

Wessel说，发生在大脑中的神经雪崩很像网格上的沙子雪崩。在每种情况下，级联都是系统达到最复杂状态的标志。

Hengen认为，每个神经元就像一粒沙子，遵循着非常基本的规则。神经元本质上是开/关开关，根据直接的输入决定是否放电。如果数十亿的神经元能达到临界状态——介于过度有序和过度混乱之间的最佳点——它们就能共同形成复杂而奇妙的东西。“临界性最大化了一堆听起来非常适合大脑的特征，”Hengen说。

这项新研究是多学科合作的成果。研究人员设计了实验并提供了数据，“这是物理学和生物学的完美结合，”Wessel说。