睡眠既是腦研究的重要組成部分，又對健康產(chǎn)生重要影響。近年來，調(diào)控大腦睡眠狀態(tài)的環(huán)路機(jī)制及關(guān)鍵腦區(qū)的發(fā)現(xiàn)，為人們從微觀或介觀層面理解睡眠機(jī)制提供了幫助。然而，睡眠過程涉及多個腦區(qū)的復(fù)雜調(diào)控，在全腦尺度對睡眠調(diào)控進(jìn)行研究非常關(guān)鍵。目前很多研究利用fMRI（功能磁共振成像）或PET（正電子發(fā)射計算機(jī)斷層顯像）觀測人睡眠中的全腦特征性變化，但由于測量尺度及物種差異，這些研究很難與動物研究中的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行整合。

　　近日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）梁智鋒研究組與北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院段小潔研究組合作，建立了基于同時電生理記錄的小鼠睡眠功能磁共振成像方法，揭示了小鼠覺醒狀態(tài)切換及特征性神經(jīng)事件全腦時空動態(tài)特征，為睡眠研究提供了全局觀測新視角。該研究還公開了相關(guān)的大規(guī)模小鼠睡眠數(shù)據(jù)集，為進(jìn)一步挖掘和整合多尺度睡眠研究提供了支持。相關(guān)研究已在《自然-通訊》發(fā)表。

　　對小鼠全腦進(jìn)行無損成像。受訪者供圖

　　讓小鼠“清醒”地睡眠 

　　“我們在小鼠和猴子身上進(jìn)行的研究，都基于清醒功能磁共振成像技術(shù)對全腦進(jìn)行無損成像。”梁智鋒告訴《中國科學(xué)報》。

　　為動物進(jìn)行清醒功能磁共振成像（俗稱做核磁）有兩大難點，一是動物不會像人一樣安靜地躺著，配合研究人員進(jìn)行實驗。二是動物多數(shù)懼怕做核磁時的巨大噪音。因此大部分動物研究要先進(jìn)行麻醉，然后再進(jìn)行實驗，但麻醉會改變大腦功能（而這正是麻醉起效的機(jī)理），這就制約了研究范圍。

　　“麻醉極大的限制了動物腦功能成像的應(yīng)用范圍，所以我們就要想辦法解決問題?！绷褐卿h補充說，“近五六年我們通過改造實驗裝置，同時結(jié)合動物行為學(xué)訓(xùn)練，讓小鼠或猴子在不麻醉情況下做核磁，進(jìn)行清醒動物的腦成像?！?/p>

　　為進(jìn)行“清醒”小鼠的睡眠研究，研究人員進(jìn)一步對成像裝置進(jìn)行優(yōu)化，為實驗小鼠定制了動物固定裝置，讓鼠在頭部固定的同時又盡可能舒服。然后通過行為訓(xùn)練，降低小鼠的應(yīng)激水平，一步步適應(yīng)核磁的環(huán)境。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，做核磁時雖然噪聲巨大，但有相對固定的節(jié)奏，這和火車輪軌碰撞的咣咣當(dāng)當(dāng)聲相似，有規(guī)律噪聲對睡眠的困擾并非不可克服。行為訓(xùn)練時，研究人員一開始讓小鼠處于無噪聲環(huán)境中，然后逐步提高噪聲音量，讓小鼠適應(yīng)頭部固定和噪聲條件。

　　“這個適應(yīng)過程其實并不算長。小鼠經(jīng)過7至10天訓(xùn)練，猴子大概需要1至2個月就能慢慢適應(yīng)。”梁智鋒說，“這項工作中，我們用一整套措施對小鼠睡眠進(jìn)行優(yōu)化，讓它在非麻醉狀態(tài)下，可以較容易的在核磁環(huán)境中進(jìn)入非快速眼動（NREM）睡眠或快速眼動（REM）睡眠?！?/p>

　　植入電極創(chuàng)新 

　　研究團(tuán)隊花了兩年的時間，為實驗動物創(chuàng)造了舒適的“清醒”睡眠條件。但新問題又隨之而來：如何判斷小鼠是否睡著了。

　　“這是該工作的第二個技術(shù)創(chuàng)新點。”梁智鋒說，進(jìn)行動物實驗不能簡單以它是否活動或閉眼來判斷是否進(jìn)入睡眠狀態(tài)?？茖W(xué)家在區(qū)分人類是否進(jìn)入睡眠狀態(tài)時，有個“金標(biāo)準(zhǔn)”，即通過大腦的電生理信號來判斷。但問題是，核磁成像和電生理信號記錄兩者有非常大的互相干擾。

　　通常進(jìn)行電生理記錄要將金屬電極（如常用的鎢絲電極）植入腦中。一方面，金屬電極會在功能磁共振成像時產(chǎn)生巨大偽影，“普通電極扎下去，圖像中小鼠腦袋半邊都黑了”。另一方面，做核磁時會產(chǎn)生強烈的局部磁場變化，而磁場變化會在導(dǎo)體（電極）內(nèi)產(chǎn)生電流。

　　“做核磁時梯度磁場的切換會產(chǎn)生巨大干擾信號，這個信號比記錄到真實腦電波信號至少大一個數(shù)量級?！绷褐卿h說。

　　為解決這一問題，梁智鋒團(tuán)隊和段小潔團(tuán)隊合作，發(fā)現(xiàn)一種石墨烯纖維的磁化率跟腦組織非常接近。這種材料既有良好的導(dǎo)電性能，又不會在核磁圖像中產(chǎn)生很大的偽影，完美解決了特殊環(huán)境下記錄小鼠腦電波的難題。

　　高度核磁兼容的電生理記錄裝置示意。受訪者供圖

　　拓展腦研究疆域 

　　在這項研究中，聯(lián)合團(tuán)隊將石墨烯電極植入小鼠大腦的海馬體，可以在進(jìn)行功能磁共振成像時記錄不同睡眠覺醒狀態(tài)下的特定神經(jīng)電生理事件，如尖波-漣漪波（SWRs）。利用神經(jīng)事件觸發(fā)的功能磁共振成像方法，研究人員揭示了尖波-漣漪波誘發(fā)狀態(tài)依賴的全腦時空變化模式。

　　此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)與兩個單獨事件誘發(fā)的反應(yīng)總和相比，耦合的紡錘波和尖波-漣漪波誘發(fā)了更強的協(xié)同效應(yīng)。尖波-漣漪波和紡錘波在記憶鞏固過程中都起著重要的作用，協(xié)同效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為理解記憶鞏固的機(jī)制提供了新的方向。

　　“我們發(fā)現(xiàn)非快速眼動睡眠期，尖波所引起的全腦時空動態(tài)激活范圍和強度遠(yuǎn)大于清醒期?！绷褐卿h解釋說，“睡眠有助于記憶的鞏固，以上的發(fā)現(xiàn)可能提示了睡眠鞏固記憶的機(jī)制。”

　　該研究建立了基于同時電生理記錄的小鼠睡眠功能磁共振成像方法，揭示了小鼠睡眠覺醒狀態(tài)依賴的動態(tài)全腦時空特征。首次在全腦尺度觀測睡眠及睡眠覺醒切換過程，這提供很多新信息，比如覺醒狀態(tài)切換預(yù)測。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)從睡覺覺醒狀態(tài)的切換并非瞬間完成，不同狀態(tài)間的切換涉及幾乎所有腦區(qū)的次序性切換，有些腦區(qū)先變化，有些腦區(qū)后變化。為此，研究人員構(gòu)建了一個機(jī)器學(xué)習(xí)模型來預(yù)測狀態(tài)切換，最長能在狀態(tài)切換前17秒預(yù)測接下來要進(jìn)入什么狀態(tài)。

　　“幾乎所有動物都有睡眠現(xiàn)象，但睡眠跨物種的特性我們并不了解。人們沒有在人和動物上都能應(yīng)用的方法去做比較研究，現(xiàn)在我們提供了一個跨物種比較研究手段。同時我們對小鼠全腦時空這種動態(tài)研究，也提供了一個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，將來繼續(xù)進(jìn)行這方面腦研究的話都可以用這方面的科學(xué)數(shù)據(jù)。”

來源：中國科學(xué)報記者 張雙虎  2023年4月2日

https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/4/497649.shtm