在睡眠時，動物的各種感官失去了感知周邊環(huán)境的能力，運動也減少了。這不禁讓人疑惑，為什么動物會讓自己一連幾個小時處于喪失基本感覺和運動能力的狀態(tài)，任由自己成為捕獵者的目標？

一些動物發(fā)展出了一種特殊能力來解決這個問題，它們讓一半大腦進入睡眠，同時讓另一半大腦維持警覺—一種名為單半球慢波睡眠的中間狀態(tài)。動物身上半睡半醒的現(xiàn)象為睡眠研究提供了重要幫助。當研究處于睡眠狀態(tài)的半邊大腦時，另一半就成了實驗必要的對照組。如今，都市人倍感焦慮，失眠問題得到了越來越多的關(guān)注。關(guān)于動物睡眠方面的研究很將有助于了解人類的睡眠疾病。

1.睡眠周期和醒覺周期

不管是動物還是植物，地球上的生物都有一個非常顯著的特征，那就是它們的生理和行為已經(jīng)適應(yīng)了白天和黑夜的交替。大腦的生物鐘與環(huán)境信號同步，機體的生理變化也多以24小時為周期，即晝夜節(jié)律。也就是說，大腦神經(jīng)回路的動態(tài)變化重演了地球的自轉(zhuǎn)。為了平衡休息和生存，鯨豚動物、一些鳥類演化出了獨特的睡眠方式。它們可以只用一半大腦睡眠，同時讓一半大腦保持清醒。

“睡眠—醒覺周期”是一種典型的晝夜節(jié)律。醒覺的特征是感覺活動和運動；在睡眠期間，生物的感官不再與周圍環(huán)境互動，運動也會減弱。這種周期性意識缺失在腦電圖（EEG）上有非常清晰的信號 ：深度睡眠時，大腦主要進行高振幅的慢振蕩。相反，覺醒時，大腦主要進行快速的低振幅振蕩。然而，還有很多與睡眠有關(guān)的謎題尚未解開。為什么動物會讓自己一連幾個小時處于喪失基本感覺和運動能力的狀態(tài)下，任由自己成為捕獵者的目標？這個問題在水生哺乳動物身上尤其重要，因為它們需要在睡眠時調(diào)整呼吸并維持體溫。令人驚奇的是，有些動物發(fā)展出了一種特殊能力來解決這個問題。也就是說，它們可以只用一半大腦睡眠，讓另一半大腦保持警覺，即單半球慢波睡眠（uniheimisphericslow-wave sleep，USWS）。還有一些生物在某些情況下會使用USWS，但有時也會讓整個大腦參與睡眠。海洋哺乳類﹑鳥類和一些爬行類動物能進入半清醒半睡眠的狀態(tài)，有時候會在這些間隔期間中睜開一只眼睛。最近，研究人員甚至在人類身上發(fā)現(xiàn)了一種退化形式的單半球睡眠。半睡眠現(xiàn)象為睡眠科學(xué)提供了廣闊的研究前景。研究處于睡眠狀態(tài)的半邊大腦時，另一半就成了天然的對照組。海豚和一些鳥類在缺少睡眠時也能正常存活，或許能為治療人類睡眠障礙提供新思路。

2.似睡非睡

半腦大腦睡眠的研究始于 1964年。當時，備受爭議的研究員約翰·C·利利（John C.Lilly）觀察到海豚在白天休息時，只閉上了一只眼睛，他因此提出海豚可能只用一邊大腦睡眠。利利推測，海豚在睡眠的時候仍能觀察和聆聽周圍的環(huán)境情況。

后續(xù)研究最終弄明白了鯨目動物的大腦是如何工作的。鯨目動物，包括鯨魚﹑海豚和鼠海豚仍是半腦睡眠的主要研究對象。這些動物保留著祖先在陸地生活時的兩個特征 ：用肺呼吸和維持恒定體溫（體溫調(diào)節(jié)）。用單邊大腦睡眠似乎有利于它們在水中保留這些特征。

最近，俄羅斯科學(xué)院謝韋爾佐夫生態(tài)與演化研究所的列夫·穆克梅托夫（Lev Mukhametov）和同事對鯨目動物的大腦開展了更深入的研究，研究對象是瓶鼻海豚。在腦電圖上，研究人員發(fā)現(xiàn)這種動物的大腦總是一個半球處于慢波睡眠，而另一個半球處于清醒的狀態(tài)。兩個半球很少同時處于睡眠狀態(tài)（即雙半球慢波睡眠，BSWS）。同時， 他們也沒有記錄到與做夢有關(guān)的快速眼動睡眠（REM）。

在USWS期間，海豚清醒的大腦半球負責(zé)控制游泳和浮上水面呼吸。利利根據(jù)粗略的觀察總結(jié)出，海豚睜開的那只眼睛與清醒的大腦半球相連，從而讓海豚在另一半大腦休息時，也能防范捕獵者并與同伴一起游動。1999年，美國洪堡州立大學(xué)的P·唐恩·戈利（P. Dawn Goley）觀察到，當海豚成群結(jié)隊地游泳時，成員身上睜開的那只眼睛會與其他成員保持眼神交流。意大利熱那亞水族館的吉多·戈諾（Guido Gnone）和同事在2001年也觀察到了這一現(xiàn)象。如果同伴游到了另一邊，海豚睜開的眼睛也會調(diào)換。

海豚同時還要面對冰冷海水導(dǎo)致的熱量損失。約翰內(nèi)斯堡威特沃特斯蘭德大學(xué)的普拉尼什里·皮萊（Praneshri Pillay） 和保羅·R·芒格（Paul R. Manger）觀察發(fā)現(xiàn)，海豚在休息時保持一邊大腦半球清醒，使得它能夠在水中頻繁擺動鰭和尾巴，并在靠近水面處盤旋游動，以此保持體溫。

我們已經(jīng)知道，在鯨豚類和其他動物身上，“睡眠—醒覺周期”由多個腦部結(jié)構(gòu)的互動控制，包括腦干﹑下丘腦和基底前腦。我們目前掌握的線索，仍不足以揭示是什么在精確地調(diào)控半腦睡眠。

2012 年，悉尼大學(xué)的戴維·J·凱季奧拉（David J. Kedziora）和同事構(gòu)建了一個USWS的數(shù)學(xué)模型，用來代表海豚的睡眠習(xí)慣。在模型中，兩個半球位于下丘腦的亞結(jié)構(gòu)—即腹外側(cè)視前核，能夠在單個半球睡眠時交換信息，對睡眠進行調(diào)控。

從表面上看，在兩個大腦半球之間傳遞的抑制信號會讓一邊半球保持清醒，讓另一邊半球進入睡眠。位于腦干的后連合等大腦深部結(jié)構(gòu)也參與其中（海豚的后連合非常大，這不禁讓人思考它在管理睡眠中的作用）。凱季奧拉和同事構(gòu)建的模型讓神經(jīng)科學(xué)家得以研究海豚大腦如何將睡眠精細地分配給兩個半球。環(huán)境信息似乎也起到了一定作用。由于下丘腦中促進睡眠的神經(jīng)元具有溫度敏感性，因此大腦溫度的改變就會影響這些神經(jīng)元的放電水平。事實上，穆克梅托夫和同事在1982年發(fā)現(xiàn)，當海豚處于 USWS 時，睡眠的大腦半球的溫度下降了，而清醒的大腦半球則維持不變。