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为探究内源性脑活动在睡眠中的机制，尤其是跨睡眠阶段的功能性磁共振成像（fMRI）波变化，研究人员分析整夜 fMRI 数据。结果发现睡眠阶段影响波的频率和时空模式，REM 睡眠中自下而上传播占优。这有助于理解睡眠功能和记忆巩固机制。
在人们进入梦乡时，大脑其实并没有 “偷懒”，它内部正进行着一系列神秘而重要的活动。内源性脑活动在睡眠过程中扮演着关键角色，对学习和记忆巩固等功能意义重大。然而，长期以来，其精确机制却如同被层层迷雾笼罩，让科研人员难以看清。
此前的功能性磁共振成像（fMRI）研究发现，在清醒状态下，大脑皮层存在有结构的、持续数秒的波，这些波会沿着功能性梯度在皮层传播。但令人疑惑的是，这些波在不同睡眠阶段是如何变化的，始终没有明确答案。为了揭开这个谜团，来自美国宾夕法尼亚州立大学（The Pennsylvania State University）和美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《npj Biological Timing and Sleep》上。
研究人员主要运用了整夜 fMRI 技术以及多模态数据采集与分析方法。他们招募了 12 名受试者，收集了其连续两晚的同步 fMRI/EEG 数据，同时利用 MRI 兼容摄像头监测受试者睡眠状态。在数据处理上，经过严格的筛选和预处理，确保数据质量，随后运用多种分析方法探究脑活动波的特征。
研究结果
- 跨层级波的发生频率依赖于睡眠阶段：研究人员对不同睡眠阶段的传播波发生频率进行量化。根据多导睡眠图定义的睡眠阶段，通过计算局部峰值的时间 - 位置相关性，识别出从感觉 / 运动（SM）区域到默认模式网络（DMN）的自下而上传播和从 DMN 到 SM 区域的自上而下传播的波。结果显示，自下而上的传播从清醒到深度非快速眼动（NREM）睡眠阶段逐渐增加，在快速眼动（REM）睡眠阶段达到峰值；自上而下的传播趋势则相反，REM 睡眠阶段两者差异最大。
- REM 睡眠中自下而上传播的独特特征：REM 睡眠期间，自下而上传播的波在丘脑、脑桥和视觉皮层等区域出现明显的相位变化和早期共同激活。与其他睡眠阶段相比，这些区域在 REM 睡眠时激活更早，峰值激活也显著增加。数据驱动的滞后分析表明，丘脑、脑桥和视觉皮层在 REM 睡眠的自下而上传播中相位变化最大。
- REM 睡眠中自下而上传播与眼球运动相关：研究人员通过眼动电图（EOG）信号变化和视频监测两种方式评估眼球运动与自下而上传播的关系。发现仅在 REM 睡眠时，基于 EOG 的眼球运动峰值出现在自下而上传播中心前约 4 秒，且与自下而上传播相关的 fMRI 变化呈现明显的从 SM 到 DMN 区域的传播模式，同时伴有丘脑和脑桥的早期共同激活。
研究结论与讨论
这项研究表明，多秒的脑活动波在自然睡眠的各个阶段都存在，但 REM 睡眠和 NREM 睡眠的波特征差异显著，这可能与不同睡眠阶段的神经调节基调不同有关。自下而上的传播与 REM 睡眠的关键特征（如眼球运动和 PGO 波）密切相关，可能在记忆巩固和学习过程中发挥重要作用。此外，研究还推测自下而上的传播可能与做梦有关，不过神经机制仍不明确。未来研究需要通过全脑皮层活动记录和关键觉醒调节中心的活动测量，进一步验证这些假设，这将有助于更深入地理解自发 fMRI 信号变化所蕴含的信息，为探索睡眠与大脑功能的关系提供新的方向和理论依据。
