Nat Neurosci | 熬夜刷手機(jī)時，其實(shí)只有皮層在硬撐，海馬早就悄悄睡著了

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基本信息：

Title:A hippocampal ‘sharp-wave sleep’ state that is dissociable from cortical sleep

發(fā)表時間：2025.12.11

Journal:Nature Neuroscience

影響因子：20.0

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引言

通宵追劇、熬夜改稿之后，那種“人還醒著、腦子已經(jīng)糊成一團(tuán)”的感覺，你肯定體驗(yàn)過。

經(jīng)典教科書會告訴你：看大腦皮層(cortex)的慢波(slow waves)，慢波越高，說明睡眠壓力 (sleep pressure) 越大、越缺覺，屬于一種“斷聯(lián)+穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)(homeostatic regulation)”的睡眠狀態(tài)。

但記憶中樞海馬(hippocampus)在睡眠時的表現(xiàn)要復(fù)雜得多：在皮層慢波睡眠里，它會放出尖波(sharp waves, SPWs)、高頻漣漪(ripples)和齒狀回放電(dentate spikes, DSs)，這些事件被認(rèn)為與記憶回放和鞏固密切相關(guān)。問題是：這些海馬事件本身，是否也像皮層慢波那樣，真實(shí)地“計(jì)量”睡眠需要？

更有趣的是，海馬的尖波狀態(tài)不僅出現(xiàn)在非快速眼動睡眠(non-REM, NREM)里，還在動物處于安靜清醒(quiet wake, QW)時頻繁出現(xiàn)——那種不跑不玩、只是發(fā)呆、舔爪子、喝水的小間隙。于是一個大膽的想法出現(xiàn)了：

會不會在這些安靜清醒期，海馬其實(shí)已經(jīng)偷偷進(jìn)入了某種“局部睡眠(local sleep)”？

本研究的核心問題就是：

1）海馬SPW、漣漪和DS到底跟睡眠需要有多大關(guān)系？

2）海馬的“困意”和皮層的“困意”是否綁在一起，還是可以各走各路？

3）如果海馬可以在清醒期就“先睡為敬”，那這種狀態(tài)是否夠格被稱為真正意義上的“睡眠”？

為此，作者團(tuán)隊(duì)在大鼠身上做了連續(xù)48小時的Neuropixels高密度記錄，跨完整睡–醒周期抓取皮層與海馬的全部節(jié)律，最終提出一個很酷的新概念：“海馬尖波睡眠(hippocampal sharp-wave sleep)”——一種可以在皮層醒著的時候，獨(dú)立發(fā)生在海馬里的睡眠態(tài)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法邏輯

作者在16只自由活動雄性大鼠中植入Neuropixels探針，跨多個皮層區(qū)、背側(cè)海馬(CA1、CA3、齒狀回(dentate gyrus))及丘腦連續(xù)記錄48小時局部場電位(local field potential, LFP)和神經(jīng)元放電；依據(jù)皮層LFP和肌電判分出清醒、NREM與REM。

實(shí)驗(yàn)包括24小時基線、6小時多方式睡眠剝奪(sleep deprivation, SD：新物體探索、強(qiáng)迫運(yùn)動或二者結(jié)合)及恢復(fù)睡眠期。研究者自動檢測海馬SPW、漣漪和DS事件，量化其頻率、振幅、時長，并用線性混合效應(yīng)模型(linear mixed-effects models)分析這些指標(biāo)隨時間、SD強(qiáng)度（用海馬θ:δ功率比theta:delta ratio表征探索程度）及與皮層慢波活動(slow-wave activity, SWA)的關(guān)系，從而判斷它們是否滿足“穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)+部分?jǐn)嗦?lián)”兩大睡眠標(biāo)準(zhǔn)。

Fig. 1 | Characterization of SPWs during wake and NREM sleep.

核心發(fā)現(xiàn)

1. 尖波-漣漪也有“睡眠壓力”（Fig. 2）

在48小時的軌跡上，海馬SPW和漣漪在SD過程中逐漸變多、振幅變大，在恢復(fù)睡眠早期顯著高于基線，隨后隨著睡眠推進(jìn)又逐步下降，整體形狀幾乎“復(fù)刻”了皮層SWA的經(jīng)典穩(wěn)態(tài)曲線。SPW的振幅和發(fā)生率與之前清醒期的θ:δ比呈正相關(guān)——老鼠在被強(qiáng)迫保持清醒時探索得越賣力，之后睡眠中的SPW就越大、越頻繁；漣漪的頻率和數(shù)量也表現(xiàn)出相似的模式。作者據(jù)此認(rèn)為，SPW-漣漪跟皮層慢波一樣，是海馬中刻畫“睡眠需要”的關(guān)鍵讀數(shù)。

Fig. 2 | Homeostatic regulation of SPWs

2. 齒狀回放電：類似但不完全同步的穩(wěn)態(tài)信號（Fig. 3）

齒狀回放電DS在穩(wěn)態(tài)上“追隨”SPW：在延長清醒期內(nèi)頻率和振幅都升高，在恢復(fù)睡眠早期高于基線，DS在清醒安靜期出現(xiàn)時甚至可以替代睡眠期的DS，滿足“睡眠可以被補(bǔ)覺替代”的穩(wěn)態(tài)特點(diǎn)。不過，它和SPW并非完全一條心——恢復(fù)睡眠早期DS的參數(shù)并不隨清醒期θ:δ比增加而增強(qiáng)，反而在整段睡眠過程中有逐漸升高的趨勢，有點(diǎn)像皮層睡紡錘(spindles)與SWA的“互相扯皮”關(guān)系，提示不同海馬事件在睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中各有分工。

Fig. 3 | Homeostatic regulation of DSs.

3. 海馬在睡，皮層未必在：睡眠需求可以“分家”（Fig. 4）

既然皮層SWA和海馬SPW-漣漪、DS都表現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)變化，那它們的反彈是不是自動捆綁？作者比較了恢復(fù)睡眠早期與晝夜匹配基線之間的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在包含長時間清醒和SD的那一段，皮層SWA的反彈與SPW振幅/頻率、漣漪頻率/頻率、DS振幅等幾乎完全不相關(guān)，海馬內(nèi)部各指標(biāo)之間也大多互不相關(guān)；只有在主要是睡眠的基線日和“睡眠內(nèi)比較”時，皮層和海馬的變化才表現(xiàn)出一定相關(guān)性。也就是說，當(dāng)動物被強(qiáng)迫長時間保持清醒時，海馬可以先“悄悄睡覺”釋放自己的睡眠壓力，而皮層此時還在繼續(xù)累積困意。

Fig. 4 | Dissociability between cortical and hippocampal sleep needs.

4. “尖波睡眠”：跨清醒與NREM的統(tǒng)一海馬睡眠態(tài)（Fig. 5）

如果海馬的睡眠壓力只能在NREM中被“還債”，那么理論上延長清醒期SPW越多、恢復(fù)睡眠中SPW也應(yīng)越多。然而作者看到的是反向關(guān)系：延長清醒期間SPW和漣漪越頻繁、振幅越大，恢復(fù)睡眠早期這些指標(biāo)反而越低，DS也顯示類似的負(fù)相關(guān)。這表明清醒安靜期的SPW-漣漪本身就可以幫助海馬釋放睡眠壓力。同時，無論在QW還是NREM，只要處于SPW豐富的時段，海馬慢γ/快γ功率比(slow:fast gamma ratio)都顯著升高，指向一種與外界部分“斷聯(lián)”的離線模式。結(jié)合這兩個標(biāo)準(zhǔn)——穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)與部分?jǐn)嗦?lián)——作者提出：SPW主導(dǎo)的狀態(tài)構(gòu)成一個跨清醒與NREM的統(tǒng)一“海馬尖波睡眠 (hippocampal sharp-wave sleep)”。

歸納總結(jié)和點(diǎn)評

這篇工作用連續(xù)48小時的Neuropixels高密度記錄，把海馬的SPW-漣漪和DS從“記憶事件”升級為“睡眠需要計(jì)量表”，證明它們既滿足穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，又能在動物外表清醒時提前幫海馬完成“內(nèi)部補(bǔ)覺”。海馬的睡眠壓力由此可以與皮層解耦——海馬已在尖波睡眠中慢慢還債，而皮層還在繼續(xù)刷睡眠信用卡。

概念上，作者把局部睡眠(local sleep)的想象推到了“器官級睡眠”：海馬作為一個整體器官，可以在皮層仍表現(xiàn)為激活EEG時進(jìn)入獨(dú)立的尖波睡眠態(tài)。這一框架與既有的突觸穩(wěn)態(tài)理論和記憶鞏固研究緊密銜接，為理解不同腦區(qū)在睡眠剝奪、學(xué)習(xí)和精神疾病中的差異性脆弱性提供了新視角，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)、分析細(xì)致，是睡眠—記憶交叉領(lǐng)域非常值得收藏的一篇。

AI一句話銳評

原來我們熬夜刷手機(jī)時，外表“在線”的只是皮層，負(fù)責(zé)記憶的海馬早就關(guān)機(jī)偷偷睡覺了。

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審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部