一些动物，如鸟类，海豚和鲸鱼，可以进行单半球睡眠，其中大脑的一个半球睡觉，而另一个半球保持清醒。保持半醒状状态允许动物对掠食者实际上“睁大眼睛”，对于迁徙的鸟类，允许动物连续几天甚至几周不间断飞行。

虽然人们不知道大脑中的睡眠会在人类身上发生，但最近的研究发现，当人们第一次在新的地方经历困难的睡眠时，人们会表现出类似的睡眠风格，称为“第一夜效应”。这种效应涉及两个半球之间的不对称动态：当右半球参与正常的慢波睡眠时，左半球经历较浅的睡眠，这表明它可能保持部分警觉。

现在，在一项新的研究中，研究人员进一步研究了这种睡眠活动的潜在机制，以便开发出人类大脑中的单半球睡眠模型。 Lukas Ramlow等人的论文发表在最近一期的EPL上。

“我们的研究表明，对于人类来说，两个大脑半球的自发动态对称性破坏也是可能的，”柏林工业大学理论物理学教授EckehardSchöll告诉Phys.org。 “由于不同的睡眠阶段与不同程度的同步有关，我相信一些弱的单半睡眠形式，即两个半球的不同睡眠深度，很可能发生在人类身上，不仅仅发生在鲸鱼，海豚，海豹和洄游中。鸟类。”

在人脑中，睡眠和觉醒状态可以通过它们不同形式的电活动来区分。当清醒时，大脑中的神经元以异步，有点混乱的方式发射，而睡眠大脑中的神经元以更加同步的方式发射。

之前的研究表明，大脑的两个半球可以被视为两个耦合的振荡器群体，因为两个半球都以协调的方式产生电信号。从这个角度来看，当大脑占据两个共存域的状态时，就会发生单半球睡眠，这个域由一个同步（睡眠）半球和一个不连贯（清醒）半球组成。在物理学中，这种以有序和无序共存为特征的状态被称为“嵌合状态”。

研究人员使用来自90个不同脑部位的20个人的MRI数据，研究了大脑如何从不连贯（清醒）转变为同步（睡眠）。正如他们所解释的那样，每个半球内的耦合（半球内耦合）强于两个半球之间的耦合（半球间耦合）。通过降低半球间耦合强度，同时保持模型中半球内耦合强度固定，研究人员观察到一个半球表现出比另一个半球更加同步的活动，类似于半球形睡眠和嵌合体状态。

“以前有人推测，'嵌合状态'可能以单半球睡眠的形式出现在自然界中（某些动物已知），但没有给出真实的模型，”Schöll说。 “我们工作的重要性在于，我们首次通过使用经验人脑连接来模拟两个大脑半球的动力学，可以确实发生类似于单半球睡眠的部分同步。此外，我们已经确定了这种依赖的机制。关于半球内（强）和半球间（弱）耦合的不同强度。“

结果支持这样的观点，即单半球睡眠需要在两个半球之间进行一定程度的分离。研究人员发现，这种分离可能是由于大脑的结构不对称造成的。众所周知，例如，两个半球在这些区域内具有不同大小的相应脑区域和不同的神经元密度。

基于他们的模型，研究人员发现即使是轻微的结构不对称也会导致动态不对称，其中一个半球表现出比另一个半球更加同步的发射模式，就像在嵌合状态下一样。总体而言，大脑中的结构不对称可能解释了大脑睡眠的潜在机制以及相关的第一夜效应，但许多问题仍未得到解决。

“在未来的研究中，我们计划更深入地研究我们模型中的单半球睡眠状态（使用动态对人脑的经验结构连接性），关于以下问题，”Schöll说。 “大脑半球的哪些区域是同步的，哪些不同步？我们能否识别出大脑中不同区域之间同步的一种中继？这种中继同步如何与记忆，学习或感知有关此外，我们正在研究如何发起和终止与大脑自发强烈同步相关的癫痫发作。“