2022年11月13日，《Nature Communications》期刊在线发表题为《REM Sleep is Associated With Distinct Global Cortical Dynamics and Controlled by Occipital Cortex》的研究论文，该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）徐敏研究组和上海交通大学医学院张思宇研究组合作共同完成。该研究采用大视场钙成像和光遗传技术，发现大脑皮层的动态活动不仅编码了不同睡眠-觉醒状态，还参与了睡眠状态转换的调控,该研究为理解大脑皮层在睡眠-觉醒中的作用提供了新的线索。

　　在睡眠过程中，大脑仍然非常活跃。不同睡眠-觉醒状态中大脑神经元具有不同的模式，在脑电图上表现为不同频段的电活动。这些大脑皮层活动通常被认为仅仅是不同睡眠状态的反映。然而，作为大脑神经网络的重要组成部分，大脑皮层活动极有可能也参与了睡眠-觉醒周期的调控。 

　　为探究上述问题，研究人员采用近年来发展的大视场钙成像技术，记录并分析了小鼠整个背侧大脑皮层在睡眠-觉醒过程中的活动模式（图1）。 

　　该研究发现枕叶皮层（包括压后皮层，retrosplenial cortex, RSP和视皮层，visual cortex）在快速眼动（rapid-eye-movement, REM）睡眠时期非常活跃。不仅如此，这种活动模式（REM-like state，REM模式）在非快速眼动（non-REM, NREM）睡眠时期也大量存在：NREM睡眠期大脑皮层活动在REM模式和反REM模式（REM-opponent state）之间来回震荡；这种震荡模式的动态变化可以反映REM睡眠的压力，并编码NREM睡眠到REM睡眠的转变（图2）。 

　　上述发现表明枕叶皮层的神经活动与REM睡眠存在密切关联，提示该脑区神经活动极有可能控制了REM睡眠的发生。为验证上述猜想，研究人员通过光遗传手段抑制小鼠枕叶皮层的活动，发现在光抑制期间小鼠REM睡眠大幅减少、NREM睡眠明显增多（图3）。 

　　该工作发现了REM睡眠调控的新机制。REM睡眠通常被认为主要由脑干和下丘脑核团控制，本研究首次揭示了枕叶皮层活动对REM睡眠的发生和维持也具有强大的调控作用。另一方面，该研究提出了一个睡眠时相转换的全新模型。传统观点认为REM睡眠和觉醒期的脑活动具有较高的相似性。然而本研究发现REM睡眠与觉醒期的皮层活动模式具有本质的不同，并且NREM睡眠期大脑皮层在REM样模式和反REM样模式之间反复震荡，这种震荡的动态变化编码和调控了REM睡眠的发生。从概念上讲，本研究发现大脑皮层活动不仅是不同睡眠-觉醒状态的反映，也在睡眠时相转换中具有重要的调控作用。 

　　该研究在中科院脑智卓越中心中心徐敏研究员和上海交通大学医学院张思宇研究员指导下，由博士研究生王紫玥、费翔、刘晓彤、和王彦婕共同完成，脑智卓越中心博士后彭婉玲、复旦大学华山医院博士研究生胡月、华山医院王英伟教授也做出了重要贡献。该工作获得国家自然科学基金委员会、上海市和中科院的资助。