在深度睡眠阶段，意识状态会发生显著变化，就像在昏迷或全身麻醉时一样。长期以来，科学家们一直认为(但不能确定)大脑活动在睡眠期间会下降。大多数关于睡眠的研究都是使用脑电图(EEG)进行的，该方法需要通过沿患者头皮上放置的电极来测量大脑活动。然而，工程学院EPFL医学图像处理实验室的博士助理AnjaliTarun使用磁共振成像技术研究了睡眠期间的大脑活动。
实验室负责人DimitriVan De Ville说：“MRI扫描通过检测整个大脑结构的血液动力学反应来测量神经活动，从而提供除脑电图外的重要信息。”在这些实验中Tarun依靠脑电图来确定研究参与者何时入睡，并精确定位睡眠的不同阶段。然后，她检查了MRI图像以生成神经活动的空间图，并确定了不同的大脑状态。
难以获取的数据
研究人员表示，唯一的问题是，在参与者睡觉时对其进行脑部核磁共振成像检查并不容易。机器噪音很大，参与者很难进入深度睡眠状态。但是，Tarun与日内瓦大学(Universityof Geneva)的SophieSchwartz教授和波鸿鲁尔大学(Ruhr-Universität Bochum)的尼古拉·阿克斯马赫（Nikolai Axmacher）教授合作，可以同时利用大约30人的核磁共振和脑电图数据。研究人员用核磁共振成像仪记录了参与者在近两个小时内睡觉时的大脑活动数据。
图1.实验范例
(A)研究1的实验持续时间为51分钟至2小时40分钟，研究2的实验持续时间为5分钟至20分钟。
(B)每个NREM睡眠阶段(以分钟为单位)积累的数据分布表明，研究1覆盖了N3，而研究2主要覆盖了清醒和N1阶段。
(C)研究1中一名参与者的睡眠评分(或睡眠图)示例。
Tarunn表示“两个小时是一个相对较长的时间，这意味着我们能够获得一组罕见的、可靠的数据，患者在进行认知任务时进行核磁共振成像通常持续10到30分钟。”
睡眠期间的大脑活动
经过检查、分析和比较所有数据后，Tarun发现了一个非常惊奇的结果。她说：“我们精确地计算了由大脑不同部位组成的网络在每个睡眠阶段活跃的次数。”“我们发现，在浅睡眠阶段（即从入睡到进入深度睡眠状态之间），大脑活动总体上减少。但是，大脑不同部分之间的交流变得更加活跃。我们认为这是由于这一阶段大脑状态的不稳定造成的。”
Van De Ville补充道:“真正让我们惊讶的是由此产生的悖论。在从轻度睡眠到深度睡眠的过渡阶段，局部大脑活动增加了，相互互动却减少了。这表明大脑网络无法同步。”
下图为根据有助于该网络恢复的重要瞬态(significant transients)百分比(降序)对iCAP进行编号，在功能图下面以黄色字体显示。每个iCAP的集群一致性信息用红色表示。饼图显示了每个iCAP在睡眠阶段的分布情况。每个脑片的MNI坐标以白色字体表示。iCAP的名称是根据它们与Greicius网络的对应关系(Shirer等人，2012)得出的。
图2.从两项研究的所有记录中得出的17种创新驱动的共激活模式(iCAP)的空间模式
默认模式网络和小脑的作用
意识通常与神经网络有关，而神经网络可能与我们的自省过程，情景记忆和自发性思维有关。Van De Ville说：“我们发现前后脑区域之间的网络破裂了，随着睡眠深度的增加，这种网络变得越来越明显。”“在小脑中也观察到了神经网络的类似故障，这通常与运动控制有关。”
目前，科学家们还不知道为什么会这样。但是他们的发现是迈向更好地了解睡眠中意识状态的第一步。研究人员表示：“我们的发现表明意识是不同大脑区域之间相互作用的结果，而不是局部大脑活动的结果。”“通过研究我们的意识状态在不同睡眠阶段是如何改变的，以及对大脑网络活动的意义，我们可以更好地理解和解释人类所具有的广泛的大脑功能。”
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