磁共振成像有助于揭示睡眠的奥秘

在深度睡眠阶段，我们的意识状态会发生显着变化，就像在昏迷或全身麻醉下一样。长期以来，科学家一直认为-但不能肯定-我们睡觉时大脑活动会下降。大多数睡眠研究都是使用脑电图（EEG）进行的，该方法需要通过沿患者头皮上放置的电极来测量大脑活动。但是，工程学院EPFL医学图像处理实验室的博士助理Anjali Tarun决定使用磁共振成像或MRI研究睡眠期间的大脑活动。实验室负责人Dimitri Van De Ville表示：“ MRI扫描通过检测整个大脑结构的血液动力学反应来测量神经活动，从而提供除脑电图外的重要信息。”在这些实验中，塔伦（Tarun）依靠脑电图来确定研究参与者何时入睡并查明睡眠的不同阶段。然后，她检查了MRI图像以生成神经活动的空间图，并确定了不同的大脑状态。

难以获取的数据

唯一的收获是，在参与者睡觉时对其进行脑部MRI检查并不容易。这些机器非常嘈杂，使参与者难以进入深度睡眠状态。但是，塔伦（Tarun）与日内瓦大学的索菲·施瓦兹（Sophie Schwartz）教授和波鸿大学（Ruhr-UniversitätBochum）的尼古拉·阿克斯马赫（Nikolai Axmacher）教授合作，可以利用大约30人的MRI和EEG数据同时进行。当参与者在MRI机器上睡觉时，大脑活动数据覆盖了将近两个小时的时间。塔伦说：“两个小时是一个相对较长的时间，这意味着我们能够获得一组罕见的，可靠的数据。”“在患者执行认知任务时进行的MRI检查通常会持续10到30分钟左右。”

睡眠中的大脑活动

经过检查，分析和比较所有数据之后，塔伦（Tarun）发现了令人惊讶的结果。她说：“我们精确计算了由大脑不同部位组成的网络在每个睡眠阶段活跃的次数。”“我们发现，在轻度睡眠阶段（即从入睡到进入深度睡眠状态），大脑的整体活动会减少。但是，大脑不同部位之间的交流变得更加动态。我们认为这是由于在此阶段大脑状态的不稳定所致。”范德维尔补充说：“在所有这一切中，真正令我们感到惊讶的是由此产生的悖论。在从轻度睡眠到深度睡眠的过渡阶段，局部脑部活动增加，相互互动减少。这表明大脑网络无法同步。”

默认模式网络和小脑的作用

意识通常与神经网络有关，而神经网络可能与我们的内省过程，情节性记忆和自发性思维有关。Van De Ville说：“我们发现前后区域之间的网络破裂了，随着睡眠深度的增加，这种网络变得越来越明显。”“在小脑中也观察到了神经网络的类似故障，这通常与运动控制有关。”目前，科学家们还不知道为什么会这样。但是他们的发现是我们在睡眠时更好地了解我们的意识状态的第一步。塔伦说：“我们的发现表明意识是不同大脑区域之间相互作用的结果，而不是局部大脑活动的结果。”“通过研究在睡眠的不同阶段我们的意识状态是如何改变的，以及在大脑网络活动方面的意义，我们可以更好地理解和解释表征人类的广泛大脑功能。”

参考：Anjali Tarun，Danyal Wainstein-Andriano，Virginie Sterpenich，Laurence Bayer，Lampros Perogamvros，Mark Solms，Nikolai Axmacher，Sophie Schwartz和Dimitri Van De Ville撰写的“ NREM睡眠阶段专门改变了大规模大脑网络的动态整合” ，iScience.DOI：
10.1016 / j.isci.2020.101923