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【学术前沿】这个设备可能帮助你的大脑进入深度睡眠

如果有人告诉你有一种神奇的药剂,你可以通过它来预防疾病、提高记忆力和减轻压力,你相信吗?

多项研究成果表明,睡眠就是这种神奇的药剂,它是治疗身心疾病和改善情绪的预防性药物。然而好的睡眠质量取决于深度睡眠的时间和质量,深度睡眠是睡眠的一个部分,只占整个睡眠时间的25%,也被称作“黄金睡眠”。遗憾的是,随着年龄的增长,深度睡眠阶段变得更短更浅,这也导致随着年龄的增长,睡眠问题逐渐显现。

脑电图的发明为人类睡眠研究打开了一扇窗。近日,《华盛顿邮报》便刊登了一篇由俄勒冈大学心理学教授、美国国家发明家科学院院士Don Tucker博士创办的BEL脑神经电生理实验室关于深度睡眠研究及其脑电设备的封面文章。

每晚准备入睡时,Don Tucker 博士将戴上电极帽并检查放置在他床头柜上的一台小电脑,这也是BEL实验室许多研究人员都遵循的程序。

该实验设备将监测夜间的睡眠情况,在感应到浅睡眠的几分钟后,它产生的脉冲电流会通过头皮和颅骨,促使大脑进入深度睡眠状态。

实验历程

睡眠的每个阶段,从较浅的阶段,到深度睡眠,再到快速眼动时期,都以独特的脑电波模式为标志,近一个世纪以来,科学家们一直使用脑电图 (EEG) 来探索这种模式,并进行了阶段分类。

睡眠阶段与脑电信号

第一阶段为浅睡眠时期,人开始进入昏昏欲睡状态,如果没有受到干扰,身体会逐渐放松,肌肉的紧张感慢慢消失。对外界的刺激仍有反应,有不少奇异体验,如躯体麻木、颤动、膨胀、沉浮、脑中有片断思维活动,醒后可回忆,脑电图表现为α波降低和呈现若干θ波,夹杂一些β节律。

第二阶段为中度睡眠,此时人体对外界刺激已无反应,亦无可回忆的精神活动,脑电图表现为在θ波活动的背景上出现σ梭形波一复合体波,也可出现σ波,但α波指数占20%以下。

第三(、四)阶段,脑电波越来越慢,以慢波(包括4-7Hz的θ波和4Hz以下的δ波)为主,因此也称为慢波睡眠阶段。这个阶段, 心跳、呼吸、血压、体温和人体整个代谢都降到一天中最低的水平,意识几乎完全与外界断开,很难被唤醒。也是我们所说的深度睡眠阶段。

最后是快速眼动时期,在脑电图上表现为快波为主,眼球快速闪动(主要以左右移动为主)。因此,也称快速眼动(Rapid eye movement ,REM)睡眠。这个阶段人似乎突然就开始活跃起来,心跳、呼吸、血压和体温骤然升高,人类的梦主要发生在这个阶段。从这个阶段转醒的人才会记住梦境。

脑电图测试表明,随着年龄的增长,人们深度睡眠的时间越来越少,浅睡眠的时间占比越来越大。“很多人在 30 岁之后,他们的深度睡眠就很糟糕了,这也可以解释为什么老年人记忆力不断下降”Tucker博士说道。

过去十年取得的突破性研究证实,大脑有着自己的清洁系统——类淋巴系统(glymphatic system),可以实现大脑自我清洁。在深度睡眠期间,该系统将进入高速运转,清除大脑有害代谢产物,这种夜间清理是睡眠恢复的一部分,能够有效恢复注意力、记忆和运动技能。

随着年龄增长,深度睡眠时间减少,这个清洁系统也将变得越来越松散,可能开始留下一些日常的代谢产物,包括在斑块中发现的β-淀粉蛋白,这是阿尔茨海默病和其他破坏性神经疾病的特征【1】。

2012年,人们发现了这种不为人知的大脑基础结构【2】,这一惊人的发现开启了研究和发明的一个新时代,不仅关于睡眠,还涉及衰老、痴呆症和脑损伤。仅在去年便发表了近300篇关于该清洁系统的研究论文。

在Tucker博士的实验室,一种称为AugNOD的增强型神经振荡驱动器被发明出来。在原型中,它看起来像一个正畸器械,顶部连接着类似收费公路应答器的装置,而更为精致、便携的版本正在制作中。

该设备旨在通过延长深度睡眠时间,促进夜间大脑的清洗周期。Tucker博士表示这是一种保持大脑年轻的有效方法,他希望这样的设备能够被广泛应用于大脑清洁。

Tucker博士几十年来一直致力于探索关于人类大脑的各种问题,他于1992年创立了世界知名的脑电科研公司Electric Geodesics Inc(EGI),并发明了Geodesic 网状电极帽。数年来,Tucker博士和许多脑电领域的优秀科学家合作承担了由美国远程医疗和高级研究指挥部、国防高级研究计划局和国家地理空间情报局等资助的众多研究项目。

世界第一个高密度脑电的诞生,Don Tucker(左),Michael Posner(右)摄于1992年

2017年,EGI被飞利浦公司收购,将其作为飞利浦神经系统部门的基础。同年,Tucker博士创立了BEL脑神经电生理实验室(Brain Electrophysiology Lab ,BEL),现今,他担任BEL实验室的首席执行官兼首席科学家,BEL实验室仍然是EEG实验、研究和新技术发明的中心。

与初次创业不同的是,BEL实验室研发的设备不仅检测大脑的电活动,并且还试图影响大脑。实验室已经开始通过微量电流诱使大脑从一个睡眠阶段进入另一个睡眠阶段。

这些人工脉冲将模仿深度睡眠期间大脑产生的脉冲,大脑跟随它们的指引,产生较慢的脑电波,促使自己进入深度睡眠阶段。

“如果你变化进入头部的电流,神经元自然会与之同步,”Tucker博士说。

Tucker博士和团队在去年 5 月发表了一项经过同行评审的小型研究成果,对打瞌睡的测试对象施加了一次5分钟的微小脉冲电,将他们的深度睡眠时间平均延长了 13%,结果表明这足以让大脑更有效地组织记忆和清除有害产物【3】。这个实验对于深受睡眠障碍困扰的人群来说是一个福音。

BEL实验室收集和分析的大脑活动数据

向大脑施加少量电流,称为经颅电刺激(Transcranial Electrical Stimulation, tES),是一种非侵入性的,利用恒定、低强度电流调节大脑皮层神经元活动的技术,并不新鲜。早在 11 世纪人们就开始尝试利用电来治疗疾病,随着认识的发展经颅电刺激技术逐步成熟,部分设备已经获得FDA的许可。

值得一提的是,美国陆军对此很感兴趣,美国国防部向俄勒冈大学、北卡罗莱纳大学和几所合作大学拨款425万美元,以探索该设备在军事上的应用可能,例如恢复战场上睡眠不足的士兵的精神敏锐度。

美国陆军医学研究与发展司令部(U.S.Army Medical Research and Development Command)主任克里斯托弗·斯蒂尔(ChristopherSteele)表示:“更广泛应用的可能性,以及改善睡眠不足士兵的备战状态和帮助治疗受伤士兵的潜力,吸引了陆军。”

随着军事研究项目的推进,BEL同时致力于开展一项食品和药物管理局的试验,该试验同样旨在增加深度睡眠,不同在于这是针对消费者的研究。Tucker博士畅想未来此睡眠治疗设备将成为消费级,能够让任何人通过延长深度睡眠时间实现大脑净化,达到消除疲劳、恢复精力、免疫抗病等目的。

结语

许多人,尤其是老年人,都有睡眠不正常的问题。特别是随着年龄的增长,深度睡眠阶段变得更短更浅,而深度睡眠对大脑和记忆的再生很重要,对心血管系统也有积极的影响。Don Tucker博士带领的BEL实验室所开展的研究对于尝试改善睡眠障碍的人群来说是十分有益的,尽管此方案落地为对睡眠障碍的常规解决方式还有很长的一段路要走。(您可以点击此处,查看完整文章)

令人欣喜的是,BEL便携式高级脑电系统将于7月正式在国内发布,赢富仪器作为BEL在国内的合作伙伴将联合BEL实验室举行在线新品发布会,接下来的一段时间我们也将持续为大家带来关于此系统的最新信息,敬请期待!

Don Tucker
BEL脑神经电生理实验室创始人 &首席科学家,国际公认的脑电实验室发祥地之一 EGI公司创始人,俄 勒冈大学心理学教授,俄勒冈大学神经信息中心主任。2018年荣膺为美国国家发明家研究院(The National Academyof Inventors,NAI)院士(美国国家发明家研究院共有1060名院士,总共持有3万2千余项美国专利),并入选为美国国家发明家名人堂成员(National Inventors Hall of Fame)。其著作包括《心灵来自身体:来自神经结构的经验》,《认知与神经发展》,《走出洞穴:心灵与认知的自然哲学》等。

相关研究成果:

【1】https://www.washingtonpost.com/health/2021/07/05/aduhelm-new-alzheimers-drug-amyloid/?itid=lk_interstitial_manual_5
【2】https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.3003748
【3】https://doi.org/10.1016/j.sleep.2021.03.001

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