人和很多动物的睡眠过程都可以分为交替进行的非快速眼动睡眠（Non-rapid eye movement, NREM, sleep）与快速眼动睡眠（Rapid eye movement, REM, sleep）阶段（图20.1）[1,2]。NREM在刚入睡时占比更高，也是上一章节讲的人体泵血促进脑脊液与组织间液交换的阶段。记忆以及神经生成，都需要睡眠，尤其是慢波睡眠（NREM中较深的部分）的参与。

图20.1 睡眠结构和脑电波振荡。(A)人类夜间睡眠概况。(B)大脑新皮层慢波振荡、丘脑纺锤波和海马尖波涟漪是NREM常见的电生理特征。海马等的Theta振荡在REM，以及清醒阶段明显，大鼠或小鼠研究最多。来自[1]。

我们在讲记忆的尖波涟漪的第18节就简要介绍了几种脑电波，这里还有几种更慢的。NREM睡眠的缓慢振荡（slow oscilations）是一种从大脑皮层前后区域起始、全局移动的波（在清醒时也有在大脑皮层横向而不是纵向传播的波），每秒不足1次[2]。涉及丘脑和大脑皮层的“纺锤波”是发生在NREM期间的11-15赫兹的振荡（图20.1B， sleep spindle），长期以来一直被认为对学习和记忆很重要。我们在介绍大脑皮层、视觉、小脑等章节有提到丘脑是大脑皮层的一大输入信号来源。在进入睡眠状态时，丘脑在皮层之前先失活[3]。有研究称，在以0.25Hz摇摆的床上睡眠可以增加 NREM第三阶段（较深、慢波）睡眠的持续时间，并增加快纺锤波与缓慢振荡的同步性，可以促进陈述性记忆[4]。恒河猴NREM期间用4Hz电流刺激视觉相关大脑皮层（visual and dorsolateral prefrontal cortex），有与睡眠类似的信息整理效果[5]。

Fig. 18.2 大脑皮层不同布尔德曼区和丘脑在（NREM）睡眠开始时的脑波。（A）、（B）是来自不同癫痫病人的结果，后者还可见不同布尔德曼区的失活。DA，the dimension of activation，非线性数据分析。来自[3]

NREM睡眠期间脑脊液的流入和由此产生的渗透压可能使神经元及其神经棘(包括新的和老的)变大，这将使其更容易在突触处释放神经递质[6]，并被看作是尖波涟漪。在NREM睡眠之前的学习，可以增加慢波振荡、纺锤波和尖波涟漪之间的耦合，预计是一种从神经网络到突触的整理过程。新皮层的质纺锤波可以促进与海马纺锤波相位的耦合，前者早于海马纺锤波200-250ms，而海马纺锤波先于尖波涟漪50-100ms[7]。这些突触的整理与回放加强，将服务于清醒时记忆的搜索（图15.3）。

清醒与快速眼动睡眠时海马区的theta波，在NREM期没有，可以看成此时大脑缺少了串起故事的线索，只剩下相对静止的场景。非快速眼动睡眠也包含短时间的做梦，做梦时慢波在某些脑区活动较弱[8,9]，但这时的梦没有形成更全局的切换。

一项针对小鼠V1视觉皮层的研究发现，表达生长抑素Somatostatin（Martinotti细胞）的中间神经元在NREM睡眠期间的活性下降，而表达小清蛋白PV的中间神经元（大篮状细胞或吊灯细胞）在此期间则更加活跃[10]。这与我们在图5.2展现的前者负责对输入的精细调节相一致。而通过电突触相连、在大脑皮层2至6层都存在的大篮状细胞们的网络振荡可能起到了降低信息熵的作用，相对于存储了概念、事件等具体信息的锥体神经元，这些中间神经元的同步活动可能通过避免网络过度的碎片化、为神经网络更全局的长期健康作贡献。

从信息论的角度来看，在网络同步振荡时的信息量是比各自活跃时少的。除了表现在突触尖波涟漪放电的点对点、缺故事线的记忆增强，NREM睡眠可能也是一个熵减和正则化的过程，神经元们在发育过程中本来就在同步振荡活动中形成了彼此之间的区别与网格。中间神经元和它们负责的锥体神经元一起，在有规律的波动中调整参数。删去细节、抹平极值，有助于在清醒时更高效地运行。随着小鼠睡眠的深入，新学习形成的神经元的位置场（place field，即该神经元放电的场地区域）稳定性下降，从而使得可用更少的神经元和突触来表征新学到的场地特征[11]。

我们在上一节讲胶质-淋巴系统时，相对宏观地介绍了NREM对神经元废物清理和物流供应的必要性。比如健康成年人在完全的睡眠剥夺（成年阶段，阿尔茨海默症相关tau和淀粉样beta蛋白已开始积累）后的恢复期，其睡眠中表现出更多的NREM睡眠[12]（图20.1A前段）。

在突触层面，睡意有多种可能的机制。首先是资源吃紧。睡眠剥夺的青春期小鼠海马 CA1区神经元的树突棘数量更多，体积也更大，轴突的突触前扣结（presynaptic boutons）中可供释放神经递质的囊泡所占比例更小; 睡眠时间段自发清醒的小鼠，其神经元中的囊泡总数相比睡眠足够后清醒的小鼠较少，但可供释放的囊泡在总数中所占比例与睡眠足够后清醒小鼠没有差别[13]。这些结果提示，神经元可释放的囊泡是日常被监测的指标，储备不足时就会促进睡眠、及时补货。

果蝇的研究还发现了作为细胞能量来源的线粒体的变化[14]，和神经元钾离子通道脂类的过氧化（图18.3）[15]，都是需要及时避免进一步损伤的。因为钾离子通道是神经元膜电位设置的基础之一，人脑是否有些神经元也因为脂类氧化损伤而率先开启催睡模式，将是很有意思的课题。

图18.3 果蝇Kv1 Shaker型钾离子通道（麻醉时抖腿而得名）的beta亚基上的脂类二进制地记录了过氧化状态（a），该亚基作为电容，形成了一个DRAM存储单元（dynamic random-access memory cell）。来自[13]

在遍布大脑皮层的每个神经元内 ，有用的物质会在睡眠过程中被重新分配(伴随着许多突触后树突棘体积减小，也属于正则化) ，并为第二天所需的反应做好准备。这也意味着那些接收更多突触输入的神经元可以随着时间，经由睡眠积累更多的资源，这是一种正反馈机制，可以帮助这些有更多输入的神经元从它的邻居们中脱颖而出，支持更经常的激活。

如此看来，在断开一系列输入后的非快速眼动NREM睡眠是大脑几十年保持学习能力的基础性设置，在大脑皮层横向与纵向都有较为全局的参数调整，真正关键的信息得以去伪存真、逐渐形成可以被调用的新范式。

参考文献：

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[3] Magnin, M., Rey, M., Bastuji, H., Guillemant, P., Mauguière, F., & Garcia-Larrea, L. (2010). Thalamic deactivation at sleep onset precedes that of the cerebral cortex in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences, 107(8), 3829–3833. https://doi.org/10.1073/pnas.0909710107

[4] Perrault, Aurore A, Abbas Khani, Charles Quairiaux, Konstantinos Kompotis, Paul Franken, Michel Muhlethaler, Sophie Schwartz, and Laurence Bayer. 2019. “Whole-Night Continuous Rocking Entrains Spontaneous Neural Oscillations with Benefits for Sleep and Memory.” Current Biology : CB 29 (3): 402-411.e3. https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.12.028.

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[10] Li, B., Ma, C., Huang, Y.-A., Ding, X., Silverman, D., Chen, C., Darmohray, D., Lu, L., Liu, S., Montaldo, G., Urban, A., & Dan, Y. (2023). Circuit mechanism for suppression of frontal cortical ignition during NREM sleep. Cell, 186(26), 5739-5750.e17. 

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[13] Spano, Giovanna Maria, Sebastian Weyn Banningh, William Marshall, Luisa de Vivo, Michele Bellesi, Sophia S. Loschky, Giulio Tononi, and Chiara Cirelli. 2019. “Sleep Deprivation by Exposure to Novel Objects Increases Synapse Density and Axon–Spine Interface in the Hippocampal CA1 Region of Adolescent Mice.” The Journal of Neuroscience 39 (34): 6613–26. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0380-19.2019.

[14] Raffaele Sarnataro, Velasco, C. D., Monaco, N., Kempf, A., & Gero Miesenböck. (2025). Mitochondrial origins of the pressure to sleep. Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09261-y

[15] H Olof Rorsman, Müller, M. A., Liu, P. Z., Sanchez, L. G., Kempf, A., Gerbig, S., Spengler, B., & Gero Miesenböck. (2025). Sleep pressure accumulates in a voltage-gated lipid peroxidation memory. Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08734-4