《Neuroscience of Consciousness》：Functional connectivity drifts during sleep as a marker of fluctuations in the level of consciousness
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本研究针对意识水平在睡眠期间波动的问题，通过在大鼠中记录跨觉醒-睡眠周期的单神经元活动，利用CURBD方法量化了脑区间定向功能连接(FC)。研究发现，非快速眼动(NREM)睡眠中存在功能连接模式与觉醒/快速眼动(REM)睡眠相似的时期，反之亦然，表明脑区间连接模式并非由脑状态唯一决定，而是反映了意识水平在状态内和状态间的波动。这项研究为理解意识神经基础提供了新见解。
每天当我们入睡时意识逐渐消退，醒来时又恢复如初——这使得睡眠成为研究意识水平的天然实验场。然而，睡眠并非完全无意识的代名词。早期对快速眼动(REM)睡眠的描述就讨论了其与生动梦境体验的关联，而非快速眼动(NREM)睡眠则传统上被认为与意识完全断开相关。但越来越多的证据挑战了这种非黑即白的观点，有研究发现NREM睡眠中也可出现意识体验报告，而REM睡眠中也可能存在无意识时期。
这种意识水平的变化可能与大脑网络功能整合程度有关，正如主流意识理论所假设的那样。通常认为，大脑网络在觉醒时呈现全局整合状态，在NREM睡眠中则呈现解离状态，而REM睡眠则保持类似觉醒的整合状态。然而，这些研究大多将睡眠阶段视为同质状态，分别量化各脑状态的平均整合水平。
事实上，睡眠阶段具有高度异质性。慢波活动(SWA)现在被认为是一种空间受限现象，在NREM睡眠期间不同脑区可表现出不同的活动特征。与此类似，睡眠期间意识存在与否的情况也呈现出异质性图景。重要的是，NREM和REM睡眠中的脑电图振荡动态波动与梦境报告相关，提示梦境依赖于局部过程。
为了探究脑状态内部功能连接是否也存在类似波动，由Joo Patriota和Umberto Olcese领导的研究团队在《Neuroscience of Consciousness》上发表了他们的最新研究。他们假设，功能连接(FC)在睡眠期间并非稳定不变，而是会在不同意识水平间波动，这种波动可能作为意识水平变化的神经标记。
研究人员利用已有数据集，分析了自由活动大鼠在觉醒-睡眠周期中四个脑区(初级听觉皮层A1、背侧海马CA1、基底外侧杏仁核BLA和前额叶皮层mPFC)的单神经元放电活动。他们采用了一种名为基于电流分解(CURBD)的新方法，以秒级尺度量化了不同脑区神经元之间的定向功能连接。
研究方法上，团队采用了多区域四极记录技术，从自由活动大鼠的四个脑区同时记录单神经元活动。通过加速度计和局部场电位(LFP)分析，他们将行为状态分类为觉醒(WAKE)、NREM睡眠和REM睡眠。核心分析方法是CURBD，这是一种拟合循环神经网络(RNN)来重建神经元间潜在连接的方法，能够捕捉单神经元水平的定向功能连接。
功能连接在脑状态间的差异
研究首先验证了CURBD方法在模拟数据中的有效性，证明即使使用少量神经元，该方法也能可靠地捕捉脑区间的信息传递。随后对实际记录数据的分析表明，与预期一致，NREM睡眠中的平均功能连接强度显著低于REM睡眠和觉醒状态，这符合传统观点。
NREM睡眠中的功能连接波动
关键发现在于，尽管NREM睡眠整体上功能连接较弱，但存在相当一部分时期(占NREM时期的25%)显示出与REM睡眠相似的功能连接模式。具体而言，研究人员发现：
高功能连接NREM时期与REM睡眠的相似性：通过支持向量机分类器分析发现，处于功能连接值前25%的NREM时期，其功能连接结构与REM睡眠时期无法区分。即使将阈值提高至前15%和前5%，这种相似性仍然存在。
高功能连接NREM时期与觉醒状态的差异：相比之下，只有功能连接值处于前5%的极高功能连接NREM时期才与觉醒状态的功能连接结构相似。这表明NREM睡眠中REM样的功能连接模式比觉醒样的模式更为常见。
REM睡眠中的功能连接波动
研究还检验了相反的情况——REM睡眠中是否存在功能连接类似NREM睡眠的时期。结果显示：
低功能连接REM时期与NREM睡眠的相似性：功能连接值处于后15%和后5%的REM时期，其功能连接结构与NREM睡眠时期无法区分。然而，功能连接值处于后25%的REM时期仍能与NREM睡眠区分开。
研究结论表明，脑区间功能连接不仅在脑状态间存在差异，在状态内部也存在显著波动。NREM睡眠中含有功能连接类似REM睡眠的时期，而REM睡眠中也含有功能连接类似NREM睡眠的时期。这种功能连接的"漂移"现象挑战了将睡眠阶段视为同质状态的传统观点，为理解意识在睡眠期间的波动提供了神经基础。
这些发现对意识神经科学具有重要意义。根据主流理论，意识与大脑网络的高水平功能整合密切相关。本研究显示，这种整合程度在睡眠期间并非固定不变，而是随时间波动。NREM睡眠中出现的REM样高功能连接时期可能为梦境体验提供神经基础，而REM睡眠中出现的NREM样低功能连接时期则可能对应梦境内容的缺失或变化。
此外，研究结果还有助于解释临床观察到的现象，如无反应觉醒综合征患者意识水平的波动可能与其大脑功能连接状态的动态变化有关。这种功能连接波动可能反映了大脑在信息处理(如记忆巩固)与能量保存之间的动态平衡。
该研究的创新之处在于提供了首个直接证据，表明功能连接结构在睡眠阶段内部存在显著波动，且这种波动与不同意识水平相关的连接模式相似。未来研究可结合更大型的神经元记录技术和梦境报告，进一步探索这些功能连接波动与特定意识内容间的直接关联。
