摘要
睡眠涉及大脑血流动力学和代谢的重大变化，但这些过程在清醒与睡眠状态间的演变规律及其时空依赖性长期未知。本研究通过整合功能性正电子发射断层扫描技术与同步脑电图-功能磁共振成像，揭示了进入非快速眼动睡眠过程中全局血流动力学与代谢的紧密时间耦合进程：当整体葡萄糖代谢下降时，大幅血流波动随之出现，两者均与脑电图觉醒动态同步。研究还识别出非快速眼动睡眠中两种独特网络模式：一个约0.02赫兹振荡、高代谢的躯体感觉运动网络保持活跃动态，而默认模式网络的血流与代谢活动则被抑制。这些结果阐明了睡眠如何在降低意识水平的同时保留感官反应能力，并揭示了睡眠大脑中神经元、血流动力学和代谢动态的复杂交替平衡。该工作同时证明了脑电图-正电子发射断层扫描-磁共振成像技术探索人类认知与觉醒相关神经代谢血流机制的潜力。
新脑成像研究揭示了大脑从清醒状态转入深度非快速眼动睡眠时的能量与活动重组机制。科学家采用先进的三模态脑电图-正电子发射断层扫描-磁共振成像技术发现，当认知区域活动减弱时，感觉和运动区域仍保持活跃状态，使大脑维持对环境的响应能力。
血液流动和脑脊液动力学也发生转变，支持了睡眠有助于清除大脑代谢废物的理论。这些发现为理解睡眠如何同时维持身体修复与环境感知能力提供了新视角，并可能为神经系统及睡眠相关疾病的研究提供依据。
关键发现：
- 睡眠双重功能：非快速眼动睡眠期间，认知网络进入休息状态，而感觉区域保持活跃以维持环境感知能力。
- 能量重组机制：大脑整体代谢降低，但血流和脑脊液运动增强以清除代谢废物。
- 先进成像洞见：新型脑电图-正电子发射断层扫描-磁共振成像技术揭示了睡眠中能量消耗、脑活动与血液循环的同步机制。
由麻省总布里格姆医疗保健系统（Mass General Brigham）研究人员开展的这项研究，突显了大脑从清醒转入睡眠过程中多种生理过程的复杂相互作用。研究团队利用新一代成像技术发现，当大脑进入睡眠状态时，其活动呈现协调性转变。
非快速眼动睡眠是深度恢复性睡眠阶段，在身体健康、脑功能维护和疾病预防中发挥关键作用。研究结果已发表于《自然通讯》期刊。
"这项研究解释了大脑如何在睡眠意识减弱时仍能对外界保持响应，"麻省总医院Athinoula A. Martinos生物医学成像中心助理研究员、该研究通讯作者陈元媛博士表示，"通过揭示睡眠期间脑活动、能量消耗与血流的相互作用机制，以及我们用于发现这些现象的成像工具，为神经系统和睡眠相关疾病的机制研究提供了新见解。"
人体每晚多次循环经历两种睡眠状态：非快速眼动睡眠和快速眼动睡眠。作为关键的深度恢复性睡眠阶段，非快速眼动睡眠对身体健康、脑功能及疾病预防至关重要，但其潜在过程与长期健康影响仍不明确。既往研究已提示非快速眼动睡眠有助于清除大脑废物。
研究团队采用新型三模态技术（结合脑电图监测脑活动、功能磁共振成像分析血流、功能性正电子发射断层扫描-FDG追踪葡萄糖代谢动态），对23名健康成年人午间短暂睡眠期间的大脑进行检测。研究发现，随着睡眠加深，能量消耗与代谢整体降低，而血流在保持相对活跃的感觉区域呈现更强动态性。
与此同时，高级认知网络活动减弱，脑脊液流动增强。这些发现共同支持睡眠既能清除大脑废物，又能维持对可触发觉醒的感官线索敏感度的理论。
研究团队指出，后续工作应纳入更大规模、更多元化的研究对象，并采集更长时间、更深程度的睡眠记录。研究人员还计划采用更精确的方法测量脑代谢，并更好区分不同睡眠阶段。
作者团队：除陈元媛外，麻省总布里格姆团队成员包括Laura D. Lewis、Sean E. Coursey、Ciprian Catana、Jonathan R. Polimeni、Jiawen Fan、Kyle S. Droppa、Rudra Patel、Hsiao-Ying Wey、Dara S. Manoach、Julie C. Price、Christin Y. Sander及Bruce R. Rosen。范德堡大学Catie Chang为额外合作者。
利益声明：作者声明无利益冲突
基金支持：本研究获美国国立卫生研究院（资助号K99/R00-NS118120等）、哈佛心智脑行为教师研究奖、脑与行为研究基金会青年研究员资助、BrightFocus基金会研究资助及麻省总医院/哈佛-麻省理工健康科学与技术学院Athinoula A. Martinos生物医学成像中心部分支持；研究依托美国国立卫生研究院共享仪器资助（S10-RR022976等）完成；计算资源由马萨诸塞生命科学中心提供。
关键问题解答：
问：非快速眼动睡眠期间大脑发生哪些变化？
答：大脑呈现协调性转变：高级区域降低能量消耗，而感觉和运动区域保持活跃与响应能力。
问：为何大脑在深度睡眠中仍保持部分警觉？
答：感觉区域持续处理外部线索，确保重要声音或刺激在必要时仍能触发觉醒。
问：该研究如何推进睡眠与疾病认知？
答：通过实时追踪能量流动与血流动力学，揭示了睡眠障碍与阿尔茨海默病、帕金森病等神经系统疾病的潜在关联机制。
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