我们为什么要睡觉？研究人员为这个古老的问题提出了答案

睡眠是一种基本需求，就像食物或水一样。“没有它，你会死的，”圣路易斯华盛顿大学生物学助理教授基思·亨根（Keith Hengen）说。但睡眠实际上能完成什么？多年来，最好的研究人员可以说睡眠可以减少嗜睡——这很难满足生命的基本要求。

但是，通过融合物理学和生物学领域的概念，亨根和一组艺术与科学研究人员构建了一种理论，可以解释睡眠的意义和大脑的复杂性。正如发表在《自然神经科学》上的一项新研究所报道的那样，他们跟踪了睡眠大鼠的大脑活动，以证明大脑需要定期重置其操作系统以达到“临界”状态，这是一种优化思维和处理的状态。

“大脑就像一台生物计算机，”亨根说。“唤醒过程中的记忆和经验会一点一点地改变代码，慢慢地将更大的系统从理想状态拉出来。睡眠的核心目的是恢复最佳计算状态。

该论文的合著者包括物理学教授拉尔夫·韦塞尔（Ralf Wessel）;Yifan Xu，生物学研究生，研究神经科学;艾丹·施耐德（Aidan Schneider）是计算与系统生物学项目的研究生，都在艺术与科学专业。

韦塞尔说，物理学家们已经思考了30多年的临界性问题，但他们做梦也没想到这项工作会对睡眠产生影响。在物理学界，临界性描述了一个复杂的系统，它存在于有序与混乱之间的临界点。“在一个极端，一切都是完全有规律的。在另一个极端，一切都是随机的，“韦塞尔说。

临界性最大限度地提高了信息的编码和处理，使其成为神经生物学一般原理的一个有吸引力的候选者。在 2019 年的一项研究中，Hengen 和 Wessel 确定大脑会积极工作以保持临界性。

在这篇新论文中，研究小组提供了第一个直接证据，证明睡眠可以恢复大脑的计算能力。这与长期以来的假设截然不同，即睡眠必须以某种方式补充清醒时消耗的神秘和未知化学物质。

在2019年的论文发表后，Hengen和Wessel提出理论认为，学习、思考和清醒必须将大脑从临界状态中推开，而睡眠完全可以重置系统。“我们意识到这将是对睡眠核心目的的一个非常酷和直观的解释，”亨根说。“睡眠是解决系统级问题的系统级解决方案。”

脑级联反应

为了验证他们关于临界性在睡眠中的作用的理论，研究人员追踪了年轻大鼠大脑中许多神经元的尖峰，因为它们进行正常的睡眠和清醒程序。“你可以通过神经网络跟踪这些小级联的活动，”Hengen说。他说，这些级联，也称为神经雪崩，反映了信息如何流经大脑。“在临界点，可能会发生各种规模和持续时间的雪崩。远离临界性，系统只偏向于小雪崩或大雪崩。这类似于写一本书，只能使用短词或长词。

正如预测的那样，刚刚从恢复性睡眠中醒来的大鼠发生了各种大小的雪崩。在醒来的过程中，瀑布开始向越来越小的尺寸转变。研究人员发现，他们可以通过跟踪雪崩的分布来预测老鼠何时入睡或醒来。当级联大小减少到一定程度时，睡眠就不远了。

“结果表明，每一个清醒的时刻都会将相关的大脑回路从临界点推开，睡眠有助于大脑重置，”亨根说。

物理学与生物学的结合

当物理学家在1980年代后期首次提出临界性的概念时，他们正在观察棋盘状网格上的成堆沙子，这种情况似乎与大脑相去甚远。但这些沙堆提供了一个重要的见解，韦塞尔说。如果按照简单的规则将成千上万的谷物落在网格上，那么这些谷物很快就会达到一个临界状态，有趣的事情开始发生。大大小小的雪崩都可能在没有警告的情况下开始，一个方格中的雪崩开始蔓延到其他方格中。“整个系统将自己组织成极其复杂的东西，”他说。

Wessel说，大脑中发生的神经雪崩很像网格上的沙子雪崩。在每种情况下，级联都是达到最复杂状态的系统的标志。

根据Hengen的说法，每个神经元都像一粒沙子，遵循非常基本的规则。神经元本质上是开/关开关，根据直接的输入决定是否触发。如果数十亿个神经元能够达到临界点——太多秩序和太多混乱之间的最佳平衡点——它们就可以协同工作，形成复杂而奇妙的东西。“临界性最大化了一堆听起来对大脑来说非常理想的特征，”亨根说。

这项新研究是一项多学科的努力。Hengen、Xu 和 Schneider 设计了实验并提供了数据，而 Wessel 则加入了团队，在临界性框架下实施理解睡眠所需的数学方程式。“这是物理学和生物学之间的完美合作，”韦塞尔说。

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最初发表在 The Ampersand 网站上。