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2022年11月13日，《Nature Communications》期刊在线发表题为《REM Sleep is Associated With Distinct Global Cortical Dynamics and Controlled by Occipital Cortex》的研究论文，该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）徐敏研究组和上海交通大学医学院张思宇研究组合作共同完成。

该研究采用大视场钙成像和光遗传技术，发现大脑皮层的动态活动不仅编码了不同睡眠-觉醒状态，还参与了睡眠状态转换的调控，该研究为理解大脑皮层在睡眠-觉醒中的作用提供了新的线索。

在睡眠过程中，大脑仍然非常活跃。不同睡眠-觉醒状态中大脑神经元具有不同的模式，在脑电图上表现为不同频段的电活动。这些大脑皮层活动通常被认为仅仅是不同睡眠状态的反映。然而，作为大脑神经网络的重要组成部分，大脑皮层活动极有可能也参与了睡眠-觉醒周期的调控。

为探究上述问题，研究人员采用近年来发展的大视场钙成像技术，记录并分析了小鼠整个背侧大脑皮层在睡眠-觉醒过程中的活动模式（图1）。

图1 大视场成像记录睡眠-觉醒周期皮层活动

该研究发现枕叶皮层（包括压后皮层，retrosplenial cortex, RSP和视皮层，visual cortex）在快速眼动（rapid-eye-movement, REM）睡眠时期非常活跃。

不仅如此，这种活动模式（REM-like state，REM模式）在非快速眼动（non-REM, NREM）睡眠时期也大量存在：NREM睡眠期大脑皮层活动在REM模式和反REM模式（REM-opponent state）之间来回震荡；这种震荡模式的动态变化可以反映REM睡眠的压力，并编码NREM睡眠到REM睡眠的转变（图2）。

图2 睡眠期枕叶皮层神经活动动态变化

上述发现表明枕叶皮层的神经活动与REM睡眠存在密切关联，提示该脑区神经活动极有可能控制了REM睡眠的发生。为验证上述猜想，研究人员通过光遗传手段抑制小鼠枕叶皮层的活动，发现在光抑制期间小鼠REM睡眠大幅减少、NREM睡眠明显增多（图3）。

图3 枕叶皮层神经活调控REM睡眠

该工作发现了REM睡眠调控的新机制。REM睡眠通常被认为主要由脑干和下丘脑核团控制，本研究首次揭示了枕叶皮层活动对REM睡眠的发生和维持也具有强大的调控作用。另一方面，该研究提出了一个睡眠时相转换的全新模型。

传统观点认为REM睡眠和觉醒期的脑活动具有较高的相似性。然而本研究发现REM睡眠与觉醒期的皮层活动模式具有本质的不同，并且NREM睡眠期大脑皮层在REM样模式和反REM样模式之间反复震荡，这种震荡的动态变化编码和调控了REM睡眠的发生。

从概念上讲，本研究发现大脑皮层活动不仅是不同睡眠-觉醒状态的反映，也在睡眠时相转换中具有重要的调控作用。