在自然界中，海豚、白鯨、海狗和軍艦鳥等動物擁有一項獨特的半腦睡眠技能：每次只讓一半大腦進入睡眠狀態，另一半則保持清醒，持續監測環境、維持游動或飛行動作。對人類來說，這樣的睡眠方式難以想象。

6 月 8 日，一項發表于《自然·神經科學》（Nature Neuroscience）的研究揭示，小鼠甚至人類的大腦，可能同樣具備在清醒時“補覺”的潛力。美國威斯康星大學麥迪遜分校（UW–Madison）的研究團隊在清醒小鼠大腦中，通過光遺傳學技術誘導出特定的神經活動節律，觸發了通常只在睡眠期間才會發生的神經連接重整，并消除了睡眠剝奪對記憶任務的影響。

該工作從神經科學的角度，進一步揭示了人類睡眠的修復機制，也為未來對睡眠進行可控調節奠定了理論基礎。

睡眠的本質

2003 年，UW–Madison 的神經科學家基婭拉·奇雷利（Chiara Cirelli）與朱利奧·托諾尼（Giulio Tononi）提出了“突觸穩態假說”（SHY）。該假說認為，清醒時的學習和經驗會讓大腦皮層中大量突觸凈增強，這種狀態無法長期持續。

在成人睡眠中，NREM 睡眠約占總時長的 80%，在此期間，神經元群體會在高活動（on 期）和集體沉默（off 期）之間交替。這一階段的核心功能之一，是對構成記憶的神經元連接進行評估，大腦會保留用于長期存儲記憶的重要連接，修剪不太必要的連接，并為次日建立新的連接騰出空間。

2017 年，路易莎·德維沃（Luisa de Vivo）等人通過實驗，為這一假說提供了有力支持。研究者用三維電子顯微鏡測量小鼠運動和感覺皮層中近 7,000 個突觸，結果發現，睡眠后突觸界面平均縮小約 18%，收縮幅度與突觸初始大小成比例，符合突觸穩態假設的預期。

二十多年來，科學家一直想找到驅動突觸下調的關鍵環節。2011 年，基婭拉團隊發現，長時間清醒的大鼠在整體保持清醒的同時，個別皮層區域會出現類似非快速眼動（NREM）睡眠的短暫“off 期”：神經元集體沉默、局部腦電出現慢波。

接著，他們在人類睡眠剝奪者身上也觀察到了類似現象。這證明，人類大腦存在自發局部睡眠，全腦無需保持統一的清醒與睡眠狀態。但由于前期觀察過于零星、短暫，無法判斷其是否真正執行了睡眠功能。

生物學家早就發現，海豚、白鯨、綠頭鴨等物種能夠讓兩個腦半球交替進入慢波睡眠。這種狀態可以使動物們在高警覺狀態下進行大腦修復，同時不對認知造成損害。不過，這一功能基于它們擁有特化的神經解剖結構。對于缺乏此類結構的小鼠甚至人類而言，能否通過人工實現類似效果？

（來源：Unsplash）

在清醒的大腦里“強制運行”睡眠程序

研究者結合光纖植入和基因改造技術，在清醒小鼠中誘導 NREM 睡眠模式。其中，光遺傳學策略分為兩種，其一是激活皮層中的生長抑素陽性中間神經元，作為自然睡眠慢波的關鍵參與者，這類神經元的激活會廣泛抑制周圍神經元，產生 off 期。另一種則通過直接抑制具有興奮性的錐體神經元，從另一條路徑制造 off 期。最終，在人工干預下，神經元群體可以每秒一兩次的頻率在 on 期和 off 期間交替，這正是 NREM 慢波的微觀特征。

小鼠先正常生活 48 小時，記錄基線腦電。第二天光照開始后，研究人員通過引入新奇物體讓小鼠保持清醒 5 小時；在剝奪睡眠的最后 30 分鐘，研究者在同一只小鼠的大腦兩側對稱位置同時記錄神經活動，其中一側誘導節律性的開關活動，模擬 NREM；另一側作為內部對照。

圖 | 實驗裝置與光遺傳工具示意（來源：DOI: 10.1038/s41593-02）

結果顯示，睡眠剝奪結束后，小鼠真正入睡時，人為誘導產生 on/off 活動的大腦皮層，其慢波活動（SWA，反映睡眠壓力的指標）顯著低于對側未受刺激區域。神經元放電的同步性也相應降低。這表明在清醒狀態下，被刺激的腦區已部分完成了原本應在睡眠中進行的任務。幾小時之后，兩側差異逐步消失，雙側大腦均未出現永久性損傷。

在對照實驗中，研究人員使用海洛紫質（halorhodopsin，一種可被光激活的氯離子泵）持續抑制神經元放電，使小鼠一側大腦的局部放電率降低，但不產生開關交替。結果顯示，在后續睡眠中，該側的慢波活動、神經同步性、慢波幅度都沒有發生變化。在生長抑素陽性小鼠中用持續正弦波刺激進行同體對照，也得到了一致的結論。

據此，研究者證實，整體活動水平降低無法減輕睡眠壓力，on/off 節律才是睡眠恢復神經元功能的關鍵環節。

（來源：DOI: 10.1038/s41593-026-02318-9）

在分子層面，研究者檢測了兩種興奮性突觸強度的關鍵標記物。結果顯示，接受 on/off 誘導的一側皮層，兩種標記物的水平都顯著下降，這一趨勢與小鼠經歷 6 到 7 小時自然睡眠后觀察到的變化一致。

在行為層面，研究者對小鼠雙側感覺運動皮層同時進行 1 小時的 on/off 誘導，以檢驗其對依賴睡眠的記憶任務的影響：小鼠在第一天熟悉一種地面紋理；24 小時后被放回籠中，此時，籠內一半地面變成了新紋理，如果小鼠記住了原先的地面紋理，通常會在新紋理一側停留更久。

結果顯示，在學習后自由睡覺的小鼠表現良好；被剝奪睡眠 1 小時的小鼠表現顯著變差；但被剝奪睡眠 1 小時、同時在雙側感覺運動皮層接受 on/off 誘導的小鼠，其表現恢復到與正常睡眠組相當的水平

（來源：DOI: 10.1038/s41593-026-02318-9）

睡眠可知論：我們離“不睡覺”的未來還有多遠？

這項嚴格控制變量的研究為突觸穩態假說提供了關鍵的因果性證據。在保持小鼠清醒的同時，僅在局部誘導 on/off 模式，就觀察到了與自然睡眠相同的下游效應。此外，研究人員在實驗中，把局部睡眠現象從被動的、病理性的觀察，推進至主動可控的系統性干預，并證實其能替代睡眠的部分功能。

不過，研究中使用的侵入性光遺傳技術，離在人類腦中應用還有很大距離。局部 on/off 誘導替代的只是部分睡眠功能。對于跨腦區的全回路記憶系統整合等高層級任務來說，全腦層面的感覺運動斷連可能依然是必要的。因此，即使能局部“補覺”，我們依然無法完全擺脫睡眠。

未來，團隊希望探索使用經顱刺激等非侵入性手段，在人體中重現類似效果。此前已有學者在證實，經顱磁刺激（TMS）可在已入睡的人身上觸發慢波。近年來，一系列閉環經顱交流電刺激（tACS）研究也顯示，匹配內源性節律的刺激可增強睡眠期間的慢波活動，并在某些條件下改善記憶。但這些技術目前的能力僅限于增強已經發生的睡眠慢波，要想在清醒大腦中精確誘導 on/off 模式，還有許多基礎技術問題需要解決。

很遺憾，這項研究沒能提供當下可行的壓縮睡眠方案，但它將睡眠視為一種可被識別、被分解，原則上可以被部分提取的神經過程，有望重塑我們對睡眠的理解。未來，基于這一理論，我們或許真能精準調控自己的睡眠，并通過對應策略，治療認知衰退等疾病。

參考內容：

https://www.nature.com/articles/s41593-026-02318-9

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成