2024 年 8 月 27 日，加州大学旧金山分校的两位神经科学家发布了一项研究，揭示了大脑在多梦的睡眠阶段会运行一个内部 “世界模型”，模拟与外界的交互。实验结果显示，即使在睡眠中没有实际运动发生，大脑也会模拟运动指令，展现出与清醒状态类似的脑活动。
为了探究在快速眼动（REM）睡眠期间，大脑是如何模拟动作及其结果的，研究人员使用小鼠进行了实验，重点关注了大脑中的两个关键区域：上丘（SC）和丘脑前背侧核（ADN）。上丘是负责定向运动的运动指令中心，而丘脑前背侧核则包含了所谓的 “头部方向细胞”，这些细胞能够反映动物头部的朝向。
首先，研究人员记录了清醒状态下小鼠左侧上丘的神经活动。他们发现，约一半的上丘神经元在头部转动时会显著改变活动，这些神经元被称为 “转向细胞（turn cells）”。大多数转向细胞偏好顺时针转动，当多个顺时针转向细胞同时激活（称为 “群体转向事件”）时，动物进行顺时针头部转动的概率显著增加。
接下来，研究人员比较了清醒状态和 REM 睡眠期间上丘的活动。REM 睡眠中上丘的活动模式与清醒状态非常相似。“群体转向事件” 在 REM 睡眠中也能观察到，甚至频率略高于清醒状态。也就是说，即使在睡眠中，上丘仍在发出类似于清醒状态下的运动指令。
为了理解这些睡眠中的 “运动指令” 是否会影响大脑的内部表征，研究人员同时记录了 ADN 中头部方向细胞的活动。他们开发了一个解码器，可以根据 ADN 的神经活动推断头部方向。在清醒状态下，这个解码器能够准确预测实际的头部方向。结果，当应用于 REM 睡眠数据时，解码器显示了 “虚拟头部转动”—— 尽管动物保持静止，但大脑中头部方向的内部表征仍在发生变化。
为了证明上丘活动与虚拟头部转动之间的因果关系，研究人员使用河豚毒素（TTX）药物阻断了小鼠右侧上丘的活动。结果显示，这种阻断导致 REM 睡眠中顺时针方向的虚拟头部转动显著增加，甚至出现连续的 360° 顺时针虚拟转动。这些发现表明，在 REM 睡眠期间，大脑会模拟动作及其结果，即使这些动作并未真正执行。
研究人员推测，这种模拟可能依赖于大脑内部的模型，而不是外部的感觉反馈。头部运动的缺失排除了前庭器官的参与，此外小鼠外眼肌缺乏本体感受器官，也排除了 REM 睡眠特征性眼球运动的本体感受反馈对头部方向表征变化的显著影响。
研究人员表示，可以设想在 REM 睡眠期间观察到的协调 SC 和 ADN 活动的内部模型也可能在清醒动物中起作用。这将允许大脑在执行 SC 发出的运动指令之前预测头部方向的变化，从而实时估计头部方向，而不是依赖于前庭系统的感觉反馈。