Curr Biol | 預測 REM 睡眠的“倒計時”：心率如何編碼超晝夜節律

認知神經科學前沿文獻分享

基本信息

Title:Heart rate and sleep history encode ultradian REM sleep timing

發表時間:2025-03-11

發表期刊:Current Biology

影響因子:7.5

獲取原文:

1. 添加小助手:PSY-Brain-Frontier即可獲取PDF版本

研究背景

快速眼動睡眠（Rapid eye movement，REM）是睡眠周期中一個獨特的階段，對于情緒調節、記憶鞏固和認知修復至關重要。哺乳動物的睡眠在非快速眼動（non-REM, NREM）和快速眼動（rapid eye movement, REM）睡眠之間交替，形成超晝夜節律（ultradian rhythm）。盡管這是睡眠的核心特征，但大腦如何精確調控REM睡眠的發生時機仍是一個未解之謎。以往的認知神經科學與腦科學研究主要聚焦于中樞神經系統，發現某些腦電圖（electroencephalogram, EEG）特征可以在REM睡眠發生前幾十秒給出預測信號。然而，在更長的超晝夜節律時間尺度上，究竟哪些生理或行為信號能夠可靠地預測REM睡眠的到來，仍缺乏深入了解。此外，傳統的睡眠穩態模型認為，前一次REM睡眠的持續時間會影響下一次發作的間隔，但單靠這一指標的預測力十分有限。尋找能夠穩定編碼大腦REM睡眠傾向（propensity）的生理標志物，成為理解睡眠周期調控機制的關鍵知識缺口。

實驗設計與方法邏輯

為了尋找預測REM睡眠時機的可靠線索，研究團隊以小鼠為實驗對象，采集了其自然睡眠狀態下的EEG和肌電圖（electromyogram, EMG）數據。在方法邏輯上，作者首先構建了一個雙向長短期記憶網絡（bidirectional long short-term memory, BiLSTM），將連續的EEG和EMG信號嵌入到一個低維的潛在特征空間中，以此來捕捉睡眠-覺醒狀態的緩慢超晝夜動態變化。隨后，研究者提取了這些潛在特征，并結合小鼠的睡眠歷史（sleep history, SH，即前一次REM睡眠的持續時間以及距今流逝的時間），輸入到一個隨機森林回歸模型中，用于預測距離下一次REM睡眠發生還有多久。

為了明確主導預測的變量，作者系統性地剔除或保留不同的輸入特征進行對比。結果顯示，相比于大腦皮層的EEG信號，來自外周的EMG信號結合SH展現出了更強的預測能力。進一步的信號拆解表明，EMG信號中的高頻成分實際上反映了小鼠的心跳（R波），即心率（heart rate, HR）才是關鍵預測因子。為了驗證HR與REM睡眠傾向之間的生理聯系，研究者還進行了兩項干預實驗：一是通過輕微震動限制小鼠的REM睡眠，以增加其REM睡眠穩態壓力（homeostatic pressure）；二是通過腹腔注射甲基阿托品（methylatropine，一種外周副交感神經阻滯劑）在藥理學上人為抬高HR，觀察這些操作對后續REM睡眠發生節律的直接影響。

核心發現

潛在特征空間揭示了腦電/肌電信號的超晝夜節律動態

研究發現，由BiLSTM提取的潛在特征在兩次REM睡眠之間的間隔期內呈現出緩慢、漸進的下降趨勢。主成分PC2的活動軌跡在NREM睡眠期間呈現出嚴格的單調遞減，并在即將過渡到REM睡眠前出現顯著的最終下降，說明EEG/EMG的潛在特征確實編碼了超晝夜節律尺度上的時間動態。

Fig. 2 中，作者展示了由模型提取的潛在特征在兩次REM睡眠間隔期的變化軌跡；這張圖說明主成分PC2在NREM睡眠期間呈現出漸進的單調遞減，并在即將過渡到REM睡眠前出現顯著下降

在對比不同信號的預測貢獻時，作者發現包含心率信息的肌電特征遠比腦電特征更具預測力。即使將復雜的肌電信號簡化為僅保留心跳時機的二值化數據，模型依然能極其精準地預測下一次REM睡眠的發生時間，證明外周心率保留了關于REM睡眠時機的大部分預測信息。

Fig. 4 中，作者展示了基于心跳定時的不同信號處理方式對模型預測表現的影響；這張圖說明即使將肌電信號簡化為僅保留心跳時機的二值化數據，模型依然能極其精準地預測下一次REM睡眠的時間

當通過實驗剝奪小鼠的REM睡眠以增加穩態壓力時，小鼠在NREM睡眠期間的心率下降得更快、更低。相反，當使用藥物人為升高小鼠心率后，小鼠在注射后的數小時內REM睡眠時間顯著減少。這說明心率不僅是REM睡眠傾向的生理讀數，心血管控制機制更與REM睡眠的發生存在緊密的生理耦合。

Fig. 6 中，作者展示了藥理學干預心率對睡眠階段分布的影響；這張圖把注射藥物人為升高心率后，小鼠REM睡眠時間顯著減少的現象呈現出來，說明心血管控制與REM睡眠發生存在緊密耦合

省流總結

本研究證實，外周心率與睡眠歷史的結合能精準預測小鼠超晝夜節律下REM睡眠的發生時機。心率不僅是反映REM睡眠穩態壓力的生理標志物，心血管系統的自主神經調節更與睡眠周期深度耦合。需注意，該結論目前基于小鼠模型，尚未向人類睡眠管理場景延伸。

請打分

這篇剛剛登上Current Biology的研究，是否實至名歸？我們邀請您作為“云審稿人”，一同品鑒。精讀全文后，歡迎在匿名投票中打分，并在評論區分享您的深度見解。

分享人：天天

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

你好，這里是「PsyBrain 腦心前沿」

專注追蹤全球認知神經科學的最尖端突破

視野直擊 Nature, Science, Cell 正刊 及核心子刊與頂級大刊

每日速遞「深度解讀」與「前沿快訊」

科研是一場探索未知的長跑，但你無需獨行。歡迎加入PsyBrain 學術社群，和一群懂你的同行，共同丈量腦與心智的無垠前沿。

點擊卡片進群，歡迎你的到來

一鍵關注，點亮星標 ? 前沿不走丟！

一鍵分享，讓更多人了解前沿