認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)前沿文獻(xiàn)分享

基本信息

Title:Heart rate and sleep history encode ultradian REM sleep timing

發(fā)表時間:2025-03-11

發(fā)表期刊:Current Biology

影響因子:7.5

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研究背景

快速眼動睡眠（Rapid eye movement，REM）是睡眠周期中一個獨特的階段，對于情緒調(diào)節(jié)、記憶鞏固和認(rèn)知修復(fù)至關(guān)重要。哺乳動物的睡眠在非快速眼動（non-REM, NREM）和快速眼動（rapid eye movement, REM）睡眠之間交替，形成超晝夜節(jié)律（ultradian rhythm）。盡管這是睡眠的核心特征，但大腦如何精確調(diào)控REM睡眠的發(fā)生時機仍是一個未解之謎。以往的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與腦科學(xué)研究主要聚焦于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)某些腦電圖（electroencephalogram, EEG）特征可以在REM睡眠發(fā)生前幾十秒給出預(yù)測信號。然而，在更長的超晝夜節(jié)律時間尺度上，究竟哪些生理或行為信號能夠可靠地預(yù)測REM睡眠的到來，仍缺乏深入了解。此外，傳統(tǒng)的睡眠穩(wěn)態(tài)模型認(rèn)為，前一次REM睡眠的持續(xù)時間會影響下一次發(fā)作的間隔，但單靠這一指標(biāo)的預(yù)測力十分有限。尋找能夠穩(wěn)定編碼大腦REM睡眠傾向（propensity）的生理標(biāo)志物，成為理解睡眠周期調(diào)控機制的關(guān)鍵知識缺口。

實驗設(shè)計與方法邏輯

為了尋找預(yù)測REM睡眠時機的可靠線索，研究團隊以小鼠為實驗對象，采集了其自然睡眠狀態(tài)下的EEG和肌電圖（electromyogram, EMG）數(shù)據(jù)。在方法邏輯上，作者首先構(gòu)建了一個雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（bidirectional long short-term memory, BiLSTM），將連續(xù)的EEG和EMG信號嵌入到一個低維的潛在特征空間中，以此來捕捉睡眠-覺醒狀態(tài)的緩慢超晝夜動態(tài)變化。隨后，研究者提取了這些潛在特征，并結(jié)合小鼠的睡眠歷史（sleep history, SH，即前一次REM睡眠的持續(xù)時間以及距今流逝的時間），輸入到一個隨機森林回歸模型中，用于預(yù)測距離下一次REM睡眠發(fā)生還有多久。

為了明確主導(dǎo)預(yù)測的變量，作者系統(tǒng)性地剔除或保留不同的輸入特征進行對比。結(jié)果顯示，相比于大腦皮層的EEG信號，來自外周的EMG信號結(jié)合SH展現(xiàn)出了更強的預(yù)測能力。進一步的信號拆解表明，EMG信號中的高頻成分實際上反映了小鼠的心跳（R波），即心率（heart rate, HR）才是關(guān)鍵預(yù)測因子。為了驗證HR與REM睡眠傾向之間的生理聯(lián)系，研究者還進行了兩項干預(yù)實驗：一是通過輕微震動限制小鼠的REM睡眠，以增加其REM睡眠穩(wěn)態(tài)壓力（homeostatic pressure）；二是通過腹腔注射甲基阿托品（methylatropine，一種外周副交感神經(jīng)阻滯劑）在藥理學(xué)上人為抬高HR，觀察這些操作對后續(xù)REM睡眠發(fā)生節(jié)律的直接影響。

核心發(fā)現(xiàn)

潛在特征空間揭示了腦電/肌電信號的超晝夜節(jié)律動態(tài)

研究發(fā)現(xiàn)，由BiLSTM提取的潛在特征在兩次REM睡眠之間的間隔期內(nèi)呈現(xiàn)出緩慢、漸進的下降趨勢。主成分PC2的活動軌跡在NREM睡眠期間呈現(xiàn)出嚴(yán)格的單調(diào)遞減，并在即將過渡到REM睡眠前出現(xiàn)顯著的最終下降，說明EEG/EMG的潛在特征確實編碼了超晝夜節(jié)律尺度上的時間動態(tài)。

Fig. 2 中，作者展示了由模型提取的潛在特征在兩次REM睡眠間隔期的變化軌跡；這張圖說明主成分PC2在NREM睡眠期間呈現(xiàn)出漸進的單調(diào)遞減，并在即將過渡到REM睡眠前出現(xiàn)顯著下降

在對比不同信號的預(yù)測貢獻(xiàn)時，作者發(fā)現(xiàn)包含心率信息的肌電特征遠(yuǎn)比腦電特征更具預(yù)測力。即使將復(fù)雜的肌電信號簡化為僅保留心跳時機的二值化數(shù)據(jù)，模型依然能極其精準(zhǔn)地預(yù)測下一次REM睡眠的發(fā)生時間，證明外周心率保留了關(guān)于REM睡眠時機的大部分預(yù)測信息。

Fig. 4 中，作者展示了基于心跳定時的不同信號處理方式對模型預(yù)測表現(xiàn)的影響；這張圖說明即使將肌電信號簡化為僅保留心跳時機的二值化數(shù)據(jù)，模型依然能極其精準(zhǔn)地預(yù)測下一次REM睡眠的時間

當(dāng)通過實驗剝奪小鼠的REM睡眠以增加穩(wěn)態(tài)壓力時，小鼠在NREM睡眠期間的心率下降得更快、更低。相反，當(dāng)使用藥物人為升高小鼠心率后，小鼠在注射后的數(shù)小時內(nèi)REM睡眠時間顯著減少。這說明心率不僅是REM睡眠傾向的生理讀數(shù)，心血管控制機制更與REM睡眠的發(fā)生存在緊密的生理耦合。

Fig. 6 中，作者展示了藥理學(xué)干預(yù)心率對睡眠階段分布的影響；這張圖把注射藥物人為升高心率后，小鼠REM睡眠時間顯著減少的現(xiàn)象呈現(xiàn)出來，說明心血管控制與REM睡眠發(fā)生存在緊密耦合

省流總結(jié)

本研究證實，外周心率與睡眠歷史的結(jié)合能精準(zhǔn)預(yù)測小鼠超晝夜節(jié)律下REM睡眠的發(fā)生時機。心率不僅是反映REM睡眠穩(wěn)態(tài)壓力的生理標(biāo)志物，心血管系統(tǒng)的自主神經(jīng)調(diào)節(jié)更與睡眠周期深度耦合。需注意，該結(jié)論目前基于小鼠模型，尚未向人類睡眠管理場景延伸。

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