人類也能做到睜一隻眼閉一隻眼的單半球睡眠嗎？

幾年前，有科學家曾用鹹水鱷進行過一項實驗，他們把鹹水鱷放進一個水缸內，然後觀察它們的動態。期間他們會安排一個人站在水缸的旁邊，結果發現，這些鹹水鱷會閉上一隻眼睛，而另一隻眼睛卻睜得大大的，緊盯水缸旁的人。研究人員推測，鹹水鱷在睡覺時，是處於一種所謂的「單半球睡眠」（unihemispheric sleep）狀態。

其實科學家早已知道，如鳥類、以及海豚和鯨魚等水生哺乳動物都可以進行單半球睡眠。在這種狀態下，它們的大腦的一個半球在睡覺，而另一個半球保持清醒。保持這種半夢半醒狀態能讓動物睜大一隻眼睛以觀察捕食者，也能讓候鳥不間斷地連續飛行幾天甚至幾周。

人類是否也能進行單半球睡眠？目前科學家還不知道確切的答案，但最近已經有研究發現，當人類在一個新的環境中遇到睡眠問題時，也會表現出類似的睡眠方式。這通常被稱為「第一晚效應」，它與兩個大腦半球之間的動態不對稱有關：比如大腦的右半球正處於正常的慢波睡眠，而左半球正經歷較淺的睡眠，從而在睡眠中可能仍保持部分的警覺性。

為了給人類大腦建立一個單半球睡眠的模型，科學家進一步研究了這種睡眠活動的基礎機制。新的實驗表明，人類的兩個大腦半球也有可能出現自發的動態對稱破缺。由於不同的睡眠階段涉及到不同的同步程度，因此研究人員推測，人類的兩個大腦半球也可以處於不同深度的睡眠狀態，也可能出現某種微弱形式的單半球睡眠。

在人類大腦中，睡眠和清醒狀態可以通過不同形式的腦電活動來區分。當清醒時，大腦中的神經元會以一種非同步的、有點混亂的方式活動；而睡眠時的大腦神經元會以更同步的方式活動。

之前有研究表明，大腦的兩個半球可以看作是兩個耦合的振蕩器群，因為兩個半球以協調的方式產生電信號。從這個角度來看，當大腦處於兩個共存區域的狀態時，即一個同步的半球（睡眠）和一個不相干的半球（清醒），就會發生單半球睡眠。在物理學中，這種以有序和無序共存為特徵的狀態被稱為「嵌合體狀態」。

在實驗中，研究人員邀請了20個受試者，對他們的90個不同大腦部位進行了MRI數據採集，研究了大腦是如何從非相干（清醒）過渡到同步（睡眠）。正如他們所解釋的，每個半球內部的耦合（半球內耦合）比兩個半球之間的耦合（半球間耦合）更強。在模型中，當研究人員在維持半球內耦合強度不變的同時又降低半球間的耦合強度時，就能觀察到其中的一個半球會比另一個半球表現出更多的同步活動，類似於半球睡眠和嵌合體狀態。

此前就有研究人員曾推測，嵌合體狀態可能會在自然界中以單半球睡眠的形式出現，但卻沒有給出可靠的模型。而新的研究首次利用人類大腦的經驗聯繫，通過模擬兩個大腦半球的動態，證明了與單半球睡眠類似的部分同步行為確實可以在人類大腦發生。此外，他們還確定了這一機制依賴於半球內耦合（強）與半球間耦合（弱）的不同強度。

研究結果支持了這樣一種觀點，那就是單半球睡眠的出現需要兩個大腦半球之間存在一定程度的分離。而實驗證明，這種分離有可能是由於大腦結構的不對稱造成的。例如，兩個大腦半球對應的大腦區域大小並不相同，這些區域內的神經元密度也不同。

根據新的模型，研究人員發現，即使只是輕微的結構不對稱，也會導致動態的不對稱，其中一個大腦半球比另一個半球表現出更多的同步發射模式，就像在嵌合體狀態一樣。因此，總的來說，大腦結構的不對稱或許可以解釋單半球睡眠的潛在機制以及與其相關的第一夜效應。

儘管新的研究幫助我們解答了一些問題，但仍有許多問題還沒有答案。比如大腦中的哪些區域是同步的，哪些不是？我們能識別出大腦中的一種能在大腦的不同區域之間協調同步的中繼嗎？這種中繼同步與記憶、學習或感知有何關係？在未來的研究中，研究人員計劃針對這些問題，在新的模型中更深入地研究單半球睡眠狀態。與此同時，他們目前正在研究大腦的自發強同步有關的癲癇發作可以如何啟動和終止。

參考來源：

https://phys.org/news/2019-07-unihemispheric-humans.html

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