睡眠是哺乳动物维持正常认知与学习能力的核心生理机制。根据突触自稳态假说（Synaptic Homeostasis Hypothesis, SHY），在占成人睡眠约80%的非快速眼动（NREM）睡眠期，大脑会对清醒时期因持续学习而累积增强的突触连接进行系统性校准（Recalibration）与整体下调（Downscaling），通过选择性修剪非必要突触，为次日的记忆编码腾出神经元的可塑性空间。然而，长期以来，如何在不引发全身性整体睡眠的前提下，在空间局域尺度上重塑这种神经网络的自稳态修复，一直是神经科学界的一大挑战。
近日，美国威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）精神病学教授 Chiara Cirelli 团队在国际神经科学顶级期刊《自然-神经科学》（Nature Neuroscience）上发表研究论文。研究团队利用光遗传学技术，首次在清醒且处于睡眠剥夺状态的小鼠皮层局域，人工诱导出了特定的节律性慢波活动。这一干预成功在清醒状态下触发了原本仅在睡眠中发生的突触连接重构，不仅提前释放了受刺激脑区的局域睡眠压力，更在行为学上完全挽救了因睡眠剥夺导致的触觉记忆功能损伤。
在此前的研究中，Cirelli 团队已在人类和大鼠模型中观察到，当机体处于长时间睡眠剥夺状态时，清醒的大脑内部会自发出现零星、短暂的局域性慢波活动（Local slow-wave activity）——这是 NREM 睡眠在微观神经环路层面的核心标志。然而，这种自发的“微睡眠”由于发生的时空尺度过于零星，无法发挥实质性的认知修复效能。受此启发，研究人员提出设想：如果通过外部精准神经调控，在清醒大脑的特定区域系统性、长时间地维持这种局域慢波活动，是否能主动触发睡眠的恢复性效应？
为了验证这一假设，研究团队采用光脉冲植入物与基因编辑相结合的光遗传学技术，对处于睡眠剥夺状态的小鼠单侧皮层特定感觉与运动区域进行了精准干预。研究人员以30分钟为单次周期，诱导该区域神经元产生节律性的“活跃-沉默”（On-and-off）交替放电，从而在清醒小鼠体内精准模拟了 NREM 睡眠期标志性的“向上/向下状态（Up/Down states）”慢波振荡模式。
研究人员发现，当这些经过清醒期局部干预的小鼠随后进入真实睡眠时，其先前接受过光遗传刺激的特定皮层区域的慢波能量（Slow-wave power）显著降低。由于慢波能量的大小直接对应大脑局域突触的恒定压力，这一结果表明，目标脑区的睡眠压力已在清醒干预期间得到了提前释放与消化。
更重要的是，该研究厘清了睡眠恢复作用的本质神经机制。长期以来，学术界部分观点认为睡眠的修复效应主要源于神经元整体放电总量的普遍减少，即通过降低放电频率来缓解 wake 状态引起的细胞代谢疲劳。然而，本项研究的对照实验表明，单纯通过化学或电生理手段减少神经元放电总量，并不能降低后续睡眠中的慢波能量。相反，局域突触连接的重构与修复，高度依赖于那种特定在“向上”与“向下”状态间严格节律性交替的神经网络慢波振荡模式。
为了评估该技术的转化医学价值，研究团队引入了对睡眠具有高度依赖性的行为学测试——触觉记忆（Tactile memory）实验。测试数据显示，被剥夺睡眠但大脑双侧运动和感觉皮层均接受了光遗传慢波节律刺激的小鼠，其在随后的触觉识别与记忆任务中的表现，与睡眠充足、休息良好的正常对照组小鼠无显著统计学差异。相比之下，未接受任何神经刺激的睡眠剥夺组小鼠，其认知与记忆成绩表现出显著的恶化。
论文通讯作者 Cirelli 教授指出，这一人工干预在机制上类似于海豚等海洋哺乳动物所具备的“单侧脑半球睡眠”现象。即在特定局部脑区进行记忆固化与突触自稳态重建的同时，动物大脑的其他区域仍能保持对外部环境的警觉与联系。
美国国立卫生研究院（NIH）下属国家神经疾病和中风研究所（NINDS）代理主任 Amy Bany Adams 博士评价认为，该项研究不仅进一步解码了睡眠与学习的内在神经生物学逻辑，也为预防和干预由长期睡眠障碍引发的阿尔茨海默病等认知退行性疾病开辟了全新路径。据悉，Cirelli 教授团队下一步将探索如何利用经颅磁刺激（TMS）或经颅直流电刺激（tDCS）等非侵入性技术（Transcranial stimulation technology），在人类志愿者身上复制这种基于特定慢波振荡模式的“清醒局域突触自稳态调控”效应。
参考文献：Driessen, K., et al. Induction of cortical ON/OFF periods in awake mice fulfills sleep functions, Nature Neuroscience (2026). DOI: 10.1038/s41593-026-02318-9
编辑：王洪
排版：李丽
评论 (0)