本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Lisa Zyga，头图来自视觉中国
几年前，有科学家曾用咸水鳄进行过一项实验，他们把咸水鳄放进一个水缸内，然后观察它们的动态。期间他们会安排一个人站在水缸的旁边，结果发现，这些咸水鳄会闭上一只眼睛，而另一只眼睛却睁得大大的，紧盯水缸旁的人。研究人员推测，咸水鳄在睡觉时，是处于一种所谓的“单半球睡眠”（unihemispheric sleep）状态。
其实科学家早已知道，如鸟类、以及海豚和鲸鱼等水生哺乳动物都可以进行单半球睡眠。在这种状态下，它们的大脑的一个半球在睡觉，而另一个半球保持清醒。保持这种半梦半醒状态能让动物睁大一只眼睛以观察捕食者，也能让候鸟不间断地连续飞行几天甚至几周。
人类是否也能进行单半球睡眠？目前科学家还不知道确切的答案，但最近已经有研究发现，当人类在一个新的环境中遇到睡眠问题时，也会表现出类似的睡眠方式。这通常被称为“第一晚效应”，它与两个大脑半球之间的动态不对称有关：比如大脑的右半球正处于正常的慢波睡眠，而左半球正经历较浅的睡眠，从而在睡眠中可能仍保持部分的警觉性。
为了给人类大脑建立一个单半球睡眠的模型，科学家进一步研究了这种睡眠活动的基础机制。新的实验表明，人类的两个大脑半球也有可能出现自发的动态对称破缺。由于不同的睡眠阶段涉及到不同的同步程度，因此研究人员推测，人类的两个大脑半球也可以处于不同深度的睡眠状态，也可能出现某种微弱形式的单半球睡眠。
在人类大脑中，睡眠和清醒状态可以通过不同形式的脑电活动来区分。当清醒时，大脑中的神经元会以一种异步的、有点混乱的方式活动；而睡眠时的大脑神经元会以更同步的方式活动。
之前有研究表明，大脑的两个半球可以看作是两个耦合的振荡器群，因为两个半球以协调的方式产生电信号。从这个角度来看，当大脑处于两个共存区域的状态时，即一个同步的半球（睡眠）和一个不相干的半球（清醒），就会发生单半球睡眠。在物理学中，这种以有序和无序共存为特征的状态被称为“嵌合体状态”。
在实验中，研究人员邀请了20个受试者，对他们的90个不同大脑部位进行了MRI数据采集，研究了大脑是如何从非相干（清醒）过渡到同步（睡眠）。正如他们所解释的，每个半球内部的耦合（半球内耦合）比两个半球之间的耦合（半球间耦合）更强。在模型中，当研究人员在维持半球内耦合强度不变的同时又降低半球间的耦合强度时，就能观察到其中的一个半球会比另一个半球表现出更多的同步活动，类似于半球睡眠和嵌合体状态。
此前就有研究人员曾推测，嵌合体状态可能会在自然界中以单半球睡眠的形式出现，但却没有给出可靠的模型。而新的研究首次利用人类大脑的经验联系，通过模拟两个大脑半球的动态，证明了与单半球睡眠类似的部分同步行为确实可以在人类大脑发生。此外，他们还确定了这一机制依赖于半球内耦合（强）与半球间耦合（弱）的不同强度。
研究结果支持了这样一种观点，那就是单半球睡眠的出现需要两个大脑半球之间存在一定程度的分离。而实验证明，这种分离有可能是由于大脑结构的不对称造成的。例如，两个大脑半球对应的大脑区域大小并不相同，这些区域内的神经元密度也不同。
根据新的模型，研究人员发现，即使只是轻微的结构不对称，也会导致动态的不对称，其中一个大脑半球比另一个半球表现出更多的同步发射模式，就像在嵌合体状态一样。因此，总的来说，大脑结构的不对称或许可以解释单半球睡眠的潜在机制以及与其相关的第一夜效应。
尽管新的研究帮助我们解答了一些问题，但仍有许多问题还没有答案。比如大脑中的哪些区域是同步的，哪些不是？我们能识别出大脑中的一种能在大脑的不同区域之间协调同步的中继吗？这种中继同步与记忆、学习或感知有何关系？在未来的研究中，研究人员计划针对这些问题，在新的模型中更深入地研究单半球睡眠状态。与此同时，他们目前正在研究大脑的自发强同步有关的癫痫发作可以如何启动和终止。
参考来源：https://phys.org/news/2019-07-unihemispheric-humans.html
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