在哺乳动物中，慢波睡眠（slow-wave sleep, SWS）以同步化的神经元活动为特征，这种活动在"开"（on）与"关"（off）周期之间交替进行。慢波活动（slow-wave activity, SWA）及其同步性反映了睡眠需求，与皮层环路中的突触强度相关，并促进突触选择性地削弱（synaptic downselection）及记忆巩固。本研究评估了这些睡眠的核心益处在觉醒状态下是否同样可以获得。研究人员利用光遗传学技术在觉醒小鼠中局部诱导了交替的开/关周期，这导致后续睡眠中同侧局部SWA与同步性的降低，以及突触强度标志物的减少。此外，在睡眠剥夺（sleep deprivation, SD）期间于感觉运动皮层双侧诱导关周期可恢复记忆巩固功能。因此，在觉醒状态下诱导开/关活动足以降低局部睡眠需求并实现睡眠的核心功能。
睡眠是一种普遍存在的行为状态，通常以静止和对刺激反应性降低为特征，同时受到稳态调节，在长时间觉醒后会变得更深且往往更长。睡眠被认为执行着大脑在与环境连接时无法完成的关键功能，其中最重要的是突触稳态（synaptic homeostasis），该过程可防止突触饱和、恢复学习能力并促进记忆巩固。非快速眼动（nonrapid eye movement, NREM）睡眠约占成人睡眠的80%，与突触稳态及相关记忆功能密切相关。NREM睡眠的一个决定性特征是皮层神经元群体放电活动在"开周期"（高群体放电活动）与"关周期"（群体沉默）之间的同步化低频交替，这种广泛同步的双稳态活动模式构成了皮层场电位记录（如脑电图，electroencephalogram, EEG）中慢波出现的基础。慢波活动（SWA）即NREM睡眠期间delta频段（0.5–4 Hz）的EEG功率，是睡眠需求和稳态的公认标志物，在睡眠剥夺和学习后增加，在睡眠期间下降。大量证据表明，NREM睡眠中构成慢波基础的同步化开/关活动模式可能是睡眠恢复功能的关键机制中介，这提出了一个核心问题：若能在个体觉醒状态下局部诱导同步化的开/关活动模式，是否可以在不与环境断开连接的情况下实现部分睡眠稳态功能？
为回答这一问题，研究人员开发了一种方法，利用互补的光遗传学途径在觉醒小鼠的一个半球局部诱导NREM睡眠样的开/关模式，同时从双侧同源网络记录单位活动。研究团队采用了两种光遗传学小鼠模型：第一种是SOM
+小鼠，通过激活生长抑素（somatostatin, SOM）表达神经元产生NREM睡眠样正相慢波并抑制局部网络中几乎所有其他神经元的放电活动；第二种是ACR小鼠，通过激活表达体靶向 Guillardia theta 阴离子传导通道视紫红质1（stGtACR1）的神经元直接抑制兴奋性锥体神经元，产生负相慢波。实验中，研究人员将双侧线性硅探针植入小鼠同源皮层区域，一侧探针连接光纤套管构成"光极"（optrode），可独立进行光遗传学操作，另一侧为"对侧对照"探针仅用于记录。
研究发现，在5小时睡眠剥夺的最后30分钟诱导关周期后，光极侧后续NREM睡眠中的SWA相对于对侧对照显著降低，且这种差异在数小时NREM睡眠后恢复至等效水平。该效应具有频率特异性，主要限于慢波频段。更重要的是，研究人员通过尖峰时间平铺系数（spike-time tiling coefficient, STTC）分析发现，光极侧的神经同步性显著降低——包括LFP斜率、慢波峰值幅度及单单位活动同步性等指标均显示下降。值得注意的是，这种同步性降低仅在那些经历基础睡眠稳态调节的神经元对中出现，表明关周期诱导特异性地影响了睡眠压力相关的神经同步机制。
为验证"开/关交替"而非单纯放电率降低是关键因素，研究人员采用第三种光遗传学策略——表达嗜盐菌视紫红质（eNpHR3.0）的小鼠进行持续性强直抑制。尽管实现了与关周期诱导相当的放电率降低，但强直抑制未触发生成同步化开/关周期，也未导致后续睡眠中SWA或同步性的显著变化。这一对照实验有力地证明了双稳态开/关活动模式对于释放睡眠压力具有不可替代的作用。
在分子机制层面，研究人员利用突触体（synaptoneurosome）技术检测了兴奋性突触强度的标志物。在SOM
+和ACR小鼠中，经历关周期诱导的半球显示AMPA（α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异噁唑丙酸）受体GluA1亚基及其S845位点磷酸化（pGluA1
(845)）水平显著降低，变化方向和幅度与自然睡眠6–7小时后观察到的结果一致。由于这些小鼠在睡眠剥夺后未获允许睡眠，这些变化必然由觉醒状态下强制诱导的NREM睡眠样开/关活动模式所触发。
在行为功能层面，研究人员采用新颖地板纹理识别（novel floor texture recognition, FTR）任务评估记忆巩固。该任务主要依赖次级运动皮层（secondary motor area, M2）和初级感觉皮层（primary sensory cortex, S1），已知其受益于睡眠。结果显示，睡眠剥夺1小时显著损害记忆表现，而在此期间双侧诱导开/关周期可使表现恢复至与睡眠组相当的水平。这表明觉醒状态下诱导睡眠样神经活动可为记忆巩固提供与睡眠类似的益处。
在讨论部分，研究人员指出睡眠样神经关周期可在觉醒且行为中的小鼠局部皮层网络中被可靠诱导。这些关周期通过降低SWA和神经同步性来局部减少睡眠压力，且其效果依赖于开/关周期的交替模式而非单纯的放电率降低。关周期诱导还导致兴奋性突触强度的分子标志物下降，并改善记忆巩固任务表现。研究进一步探讨了SOM
+中间神经元在促进双稳态中的关键作用，以及神经调节物质（如去甲肾上腺素和乙酰胆碱）低水平状态对产生双稳态的许可作用。研究人员还提到，此前观察到的"局部睡眠"现象——即长时间觉醒后自发出现的局部开/关活动模式——可能提供了类似的局部益处，而有系统地在特定网络中诱导开/关转换可能比零星出现的关周期更有效地恢复稳态和功能。最后，研究指出尽管局部诱导开/关周期可提供部分睡眠益处，但睡眠带来的整体感知运动断开可能仍是确保全脑范围突触重正化和记忆巩固的必要条件。
本研究发表于《Nature Neuroscience》，其重要意义在于首次在体证明觉醒状态下局部诱导NREM睡眠样神经活动模式足以实现睡眠的核心稳态功能，为理解睡眠机制及开发替代性睡眠干预策略提供了重要理论基础。
