有些动物，如鸟类、海豚和鲸鱼，可以进行半脑睡眠，即大脑的一个半睡觉，而另一个半保持清醒。保持半醒状态可以让动物“睁大眼睛”观察捕食者，也可以让候鸟连续几天甚至几周不间断地飞行。尽管人们还不知道大脑一半的睡眠是否会发生在人类身上，但现在研究发现，当人类第一次在一个新地方经历有问题的睡眠时，他们也会表现出类似的睡眠方式，这被称为“第一晚效应”。
这种影响涉及到两个半脑之间的不对称动力学：当右半脑处于正常的慢波睡眠时，左半脑经历较浅的睡眠，这表明它可能保持部分警觉。现在，在一项新的研究中，科学家进一步研究了这种睡眠活动的潜在机制，以便在人脑中建立一个单半脑睡眠的模型，其研究发表在《Europhysics Letters》上。柏林技术大学理论物理学教授、共同作者埃克哈德·肖尔(Eckehard Scholl)说：
我们的研究表明，人类大脑两个半脑的自发动态对称性破坏也是可能的。由于不同睡眠阶段与不同程度的同步有关，研究人员认为某种弱形式的大脑半脑睡眠，即在大脑半脑不同的睡眠深度，很可能发生在人类身上，而不仅仅是鲸鱼、海豚、海豹和候鸟身上。
在人类大脑中，睡眠和清醒状态可以通过它们不同形式的活动来区分。当清醒时，大脑中的神经元以一种异步、有点混乱的方式活动，而睡眠中的神经元则以一种更同步的方式活动。先前的研究表明，大脑的两个半脑可以看作是振荡器的两个耦合群体，因为两个半脑以协调的方式产生电信号。从这个角度来看，当大脑处于两个共存区域的状态时，即一个同步的(睡眠)半脑和一个不连贯的(清醒)半脑，就会发生单半脑睡眠，在物理学中，这种以有序和无序共存为特征的状态被称为“嵌合体状态”。
研究人员使用来自90个不同大脑部位20个人的MRI数据，研究了大脑如何从不连贯(清醒)过渡到同步(睡眠)。每个半脑内部的耦合(半球内耦合)比两个半脑之间的耦合(半球间耦合)更强。通过在模型中保持半脑内耦合强度不变的同时降低半脑间耦合强度，观察到一个半脑比另一个半脑表现出更多的同步活动。类似于半脑睡眠和嵌合体状态，此前人们曾推测‘嵌合体状态’可能会在自然界中以单半脑睡眠的形式出现(这是某些动物的特点)，但并没有给出真实的模型。
新研究的意义在于，首次利用人类大脑的经验联系，通过模拟两个大脑半脑的动力学，证明了与半脑睡眠类似的部分同步确实可以发生。此外，已经确定了这一机制依赖于半脑内(强)和半脑间(弱)耦合的不同强度。研究结果支持了这样一种观点，即单半脑睡眠需要两个半脑之间有一定程度的分离。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。例如，众所周知，两个半脑对应的大脑区域大小不同，这些区域内的神经元密度也不同。
根据研究模型，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，其中一个半脑比另一个半脑表现出更多的同步发射模式，就像在嵌合体状态一样。因此，总的来说，大脑结构不对称可能解释了大脑半脑睡眠的潜在机制和相关的首夜效应，但许多问题仍然没有答案。在未来的研究中，计划在模型(该模型使用了人类大脑经验结构连接的动力学)中，针对以下问题更深入地研究大脑半脑的睡眠状态。
大脑哪些区域是同步的，哪些不是？能识别出大脑中的一种中继吗？它负责协调大脑不同区域之间的同步？这种中继同步与记忆、学习或感知有何关系？同时，研究人员正在研究癫痫发作，这与大脑自发的强同步有关，如何启动和终止。由自然结构不对称引起的半脑之间的动力不对称。引入半脑间耦合强度作为局部同步模式的控制参数，可以增强系统动力学的不对称性。研究了一个最小模型，阐明了人类大脑中单半脑睡眠的模式，其中一个半球睡觉，而另一个半球保持清醒。
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参考期刊《Europhysics Letters》
DOI: 10.1209/0295-5075/126/50007
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