Science Advances前沿:睡眠和体型大小之间的幂律法则-集智俱乐部

为什么老鼠睡眠的时间,相比大象长五倍?为何小孩子睡觉的时间会比大人更长?9月18日的Science Advances上刊载了包括圣塔菲研究所Geoffrey West在内的多位学者的论文“解密我们为何睡眠,量化分析揭秘早期发育中神经重组的突然转变”,指出幼儿在2.4岁时,睡眠时长及睡眠所发挥的功能会发生显著改变。

论文题目:

Unraveling why we sleep: Quantitative analysis reveals abrupt transition from neural reorganization to repair in early development

论文地址:

https://advances.sciencemag.org/content/6/38/eaba0398

          Science Advances前沿:睡眠和体型大小之间的幂律法则-集智俱乐部             

1.大脑大小和新陈代谢之间存在的幂律法则


睡眠能够修复大脑白天运行产生的有害化学物质,因此预期新陈代谢越快的动物,所需的睡眠时间越多。2007年的PNAS文章[1],指出哺乳动物中,体重和相对睡眠时间之间,存在着幂律法则,体重越大,睡眠时间越短。


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不同哺乳动物大脑大小和睡眠时间的散点图


图中横轴代表大脑重量,纵轴是睡眠时间和清醒时间之比,每一点代表一种哺乳动物。图中展示的幂律法则,结合克莱伯定律描述的体型越大,代谢率越低(幂律系数为3/4),接近本文中的幂律系数-0.21。


而这篇Science Advances论文,考察的是新生儿在发育中的大脑体积和大脑新陈代谢率之间的关系。下图分别展示了不同年龄的大脑重量与脑部新陈代谢率,神经元数量,白质数量间,都呈现出超线性增长。
                        
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新生儿发育阶段,大脑随质量增加,呈超线性增长



2.眼动和非眼动睡眠对应不同的功能


关于睡眠的功能,科学界有诸多猜想。除了前文提到的清理大脑中的白天积累的有害化学物质,睡眠还承担着重新整理及修复大脑连接的职责,而这对脑的学习能力是必不可少的。对于处在大脑发育期的幼儿,睡眠起到的这一功能更为重要。


根据这篇Science Advances论文,当幼儿在2.4岁前后,其睡眠总时间会显著降低,如下图所示。图中纵轴是对数化处理后的总睡眠时长和清醒时长之比,可以看到在2.4岁之后,睡眠时间显著下降。
            
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睡眠时间占比和大脑重量级幼儿年龄的散点图


睡眠过程包含多个周期,每个周期包含眼动睡眠(REM)和非眼动睡眠(NREN)。将幼儿的睡眠时长按照眼动和非眼动两类,下图说明了在0-2.4岁间,非眼动睡眠时间和清醒时间之比基本不变,而眼动睡眠占比在2.4岁后的断崖式降低,造成了总睡眠时长的降低。
                 
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眼动(左图)和非眼动(右图)睡眠和大脑重量级幼儿年龄的散点图


考虑到婴幼儿这段时间大脑会产生众多全新的连接,属于生长发育的关键时期。这段时间内,超长的睡眠,暗示了非眼动睡眠可能承担着重新整理及修复大脑连接的功能。而当2.4岁之后,由于大脑不再需要建立新的连接睡眠由眼动睡眠为主,发生相变,转为以非眼动睡眠为主,睡眠的功能则转换为清理大脑在白天积累的化学物质。


对该研究,作者Geoffrey West这样点评:这项研究首次指出大脑功能随发育会发生的突然转变,指出了正确类型的睡眠对大脑以及个人健康的具有的重要意义。即使食物充足,完全剥夺了睡眠的动物会很快死去。


参考文献:

[1] A quantitative, theoretical framework forunderstanding mammalian sleep

[2] Unraveling why we sleep: Quantitative analysis reveals abrupt transition from neural reorganization to repair in early development




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