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刘威葳人为什么要睡觉?

刘威葳人为什么要睡觉?

  本题已加入圆桌 ? 今晚睡不着,更多「睡眠」「失眠」相关的话题欢迎关注讨论。

  生理需求或生理构造上的原因是什么?新增加的回答能不能再具体一点,再有说服力一点,再具有多一点来源?

  关于睡眠的重要性大多是通过发现睡眠不足的危害来证明的。

  很多人都没有意识到慢性病和睡眠不足有关,比如糖尿病、高血压以及心脏病等等。有三种方式研究睡眠不足和疾病的关系。

  一是剥夺健康的受试者的睡眠,然后监测他们短期内可以导致疾病的身体变化,类似的研究表明睡眠不足会产生一系列害处,包括精神压力增加,血压增高,血糖难控制以及更多的炎症反应等等。

  二是在大量人群中做问卷调查来获得睡眠时间和某些疾病的关系,比如根据这种调查的结果,睡眠不足或者过度均和高血压,糖尿病,肥胖有关。但是这种调查的因果性不好讲,就是你不知道是疾病影响睡眠还是睡眠导致疾病。。。

  最后一种也是最有说服力的,就是长期跟踪开始是健康的人群,研究睡眠习惯和疾病的关系,睡眠不足可能会导致以下疾病:

  肥胖 研究发现,每天睡眠少于6小时的人更有可能BMI超标,而每晚睡8小时的人BMI最低。睡眠和缺乏锻炼以及暴饮暴食一样,成为引起肥胖的重要因素。睡觉时我们的身体会分泌一些控制食欲、能量代谢以及葡萄糖加工的激素,睡眠不足会打乱这些激素的分泌。睡眠不足会导致皮质醇(一种压力荷尔蒙)分泌增加,以及餐后胰岛素分泌增加,胰岛素可以调节血糖水平,促进脂肪合成。睡眠不足也会影响瘦素 (leptin) 的分泌,这种激素会告诉大脑“已经吃饱了,饥饿荷尔蒙 (ghrelin) 水平太高了”。糖尿病 研究发现睡眠不足会影响血糖水平调节,导致II型糖尿病。一项短期的睡眠抑制实验发现测试者睡眠从8小时变为4小时后身体加工处理葡萄糖的能力明显下降。心脏病和高血压 研究发现,高血压患者如果睡眠不足,第二天血压就会增高。情绪不稳定 如果前一晚没睡,第二天会变得更加易怒。长期的睡眠不足会引起抑郁、焦虑以及精神压力免疫力下降 动物试验发现,睡眠充足的动物面对细菌感染时更容易存活。寿命 通过对大量人口的调查发现,睡眠不足的人寿命大概比睡眠充足的人寿命短15%。说了这么多危害,再讲讲睡眠的意义。

  节约能量 可能很多人不同意,因为我们现在是身处一个热量超标的社会。但动物不是,以前吃不饱的我们也不是,生存下来的都是能量利用最大化的,睡眠可以减少能量消耗。身体还原 睡眠时身体会自我修复,肌肉生长、组织修复、蛋白质合成以及生长激素的释放都是发生在睡觉时。对大脑和认知功能来说,还原论同样适用。清醒时,伴随细胞活动,神经元会产生腺苷,腺苷会让人产生疲劳感,睡眠时则会被清理掉。大脑可塑 研究发现睡眠对大脑的可塑性至关重要。睡眠不足会影响我们学习、记忆的表现。学习与记忆通常可以用三个过程描述:获得信息,信息的巩固 (consolidation), 以及使用信息,也就是回想。信息的获得与使用都发生在清醒阶段,但是consolidation过程在睡眠时却会发生。

  早在 2000 年前,医学家盖伦就试图对睡眠做出一个解释:当我们醒着的时候,大脑的动力——脑汁——会流出脑外,流到全身,然后让身体活动起来;而当我们睡着的时候,身体的汁液会流回大脑,如此形成循环。这个解释现在看起来虽然很荒谬,但却意味着着,人类早在几千年前就开始对睡觉这件事产生了好奇。

  可惜的是,直到现在人类也没能弄完全弄明白睡觉这件事,无法从科学的角度来正向解释这个问题——我们为什么需要睡觉,什么时候需要睡觉。但是,在 2014 年,神经学家 Jeff Lliff 在一次名为《One more reason to get a good sleep》的 TED 演讲里说到了一个实验结论,解释了「睡眠有什么作用」,这在一定程度上解释了睡眠的原因。

  人体器官的持续运转需要能量供给,遍布身体的血液循环系统就负责解决输送营养的问题,利用血管传送营养素和氧气到全身的每个部位,给器官提供能量。在消耗完营养素之后,所有细胞也都会产生废物,如何清理这些废物?经过演化的淋巴系统负责解决这个问题,这套循环系统遍布全身,带走细胞之间的蛋白质和其他废物,相当于是一个「垃圾」清理系统。所以,这两套系统就保障了器官的持续运转。

  但大脑是人体中一个特别的器官。大脑的能耗非常高,需要消耗全身能量的 20%-25%,虽然它只占全身质量的 2%。大脑也是通过血液循环系统来输送营养的,获得能量供给。但是,大脑里没有淋巴管,那么问题来了,大脑所产生的废物怎么排掉?

  好的,科普部分来了!

  大脑里面有一个巨大的「水池」,里面充满了干净、透明的液体,叫做「脑脊髓液」,学名 CSF(Cerebrospinal fluid),脑脊髓液充满大脑,大脑产生的废物会排到脑脊髓液里,然后跟着脑脊髓液一起流到血液里,把废物排出。

  但是,大脑里的液体和废物,并不是随便就渗透到脑脊髓液里的,而是通过一个特别的「开关」来控制这个过程,这个开关,很有可能就是睡眠。

  Science 的一篇研究文章表明,在睡眠时,脑脊液更容易在脑内流动,因此人在睡觉的时候,可以高效清除大脑里的代谢废物,让大脑恢复活力。如下图,黄色显示清醒时的脑脊液分布,绿色显示睡眠时的分布。

  进一步研究发现,睡眠时脑内细胞间隙比清醒时更大,这意味着睡眠时脑脊液更容易进入脑内与组织间液进行交换。如下图,同样黄色代表清醒时,绿色代表睡眠时,波幅越大代表间隙越小。

  所以,当我们睡觉的时候,大脑里的脑脊液便开始给大脑洗澡,洗掉积累了一天的代谢垃圾,这个过程一般需要持续 8 小时左右,正好符合人类最佳睡眠时间为 8 小时的说法。

  所以,这个研究的结论就是告诉我们——睡眠是维持大脑运转的必要条件,而大脑是维持生命运转的必要条件。它通过探究睡眠的作用,告诉我们「不睡不行」。并且,当睡眠不够,脑内的垃圾不能完全清除,就会积累到第二天,从而加重大脑的负担,降低它的运转的能量,而这种能量不足,表现在我身上就是无法集中注意力,无法思考。所以,当我们周末补觉的时候,就是在花更多的时间来给大脑定期做大扫除。

  科学家还尝试通过反向逻辑的实验来研究睡眠的作用,「如果不睡觉,会发生什么?」于是,便有了睡眠剥夺实验。

  在这个试验中,研究者把两只老鼠养在一个转轮装置中,用固定隔板隔开,并通过仪器和电脑程序持续监控老鼠的脑电波,并识别它们是否入睡。当实验组老鼠的脑电进入睡眠状态时,转轮开始转动,强迫实验组老鼠醒来并随着转轮走动。而对照组的老鼠可以在实验组老鼠清醒时自由睡眠。

  结果就是,无法睡觉的老鼠吃的越来越多,体重却越来越轻,时间长了,体温也开始出现紊乱,整个能量代谢平衡被打乱、体温维持和免疫系统维持都无法继续,从而导致死亡。

  跟上一个温和的研究不同,这个实验赤裸裸的告诉我们——不睡觉会死。

  也有以人为实验对象的睡眠剥夺实验。当人持续 40 个小时不睡之后,会出现复视、耳鸣、皮肤针刺感等现象,并伴有轻度幻觉。当剥夺时间达到 120 小时,人就会频繁产生幻觉,严重的则出现试听障碍。

  1965 年,17 岁的中学生兰迪·加德纳(Randy Gardner)在斯坦福大学睡眠实研究室工作人员监测下创造了 264 小时 12 分钟睡眠剥夺吉尼斯记录,此后考虑到有违健康原则,吉尼斯取消了对此类记录的认证。

  人类做过的最残忍的睡眠实验可能就是前苏联的「30 天不睡觉」实验了。细节在这里这我就不描述了,简直残暴,好奇宝宝自己去搜吧。

  随着对睡眠研究的深入,科学家发现睡眠与精神疾病的发生非常相关。

  既然大脑在睡眠时会清洗大脑排出的废物,那么都有哪些废物呢?研究发现这其中包含一种叫作「乙型淀粉样蛋白」的物质,这是大脑不断产生的一种蛋白质。而阿兹海默症病患便无法正常清除乙型淀粉样蛋白,它们会在患者大脑中不断增加、聚集,囤积在大脑细胞之间的空隙。而这种乙型淀粉样蛋白的不断堆积,被认为是阿兹海默症的重要成因之一。

  另外,在一些特定的精神疾病产生时,患者通常会提前表现出睡眠失调。比如,那些极容易患双重人格的年轻人在诊断出双重人格之前几乎都已经有睡眠失常的表现。

  睡眠神经科学家罗素·福斯特在 TED 演讲《我们为什么要睡觉》中提到:精神疾病和睡眠并不是简单的直接因果关系,两者是在脑部形成了生理上的连接——当那些能让我们正常睡眠的重要基因发生变异时,人的心理健康也会更容易产生问题。但是,我们还不知道这些基因会在什么情况下发生变异。

  希望此刻看到文章的你们,今晚都能睡一个好觉。

  本文出自张雨忻,来源极客公园。

  此回答已被知乎日报收录:真想有颗不睡觉也能连嗨三天的大脑,可惜时候还没到

  已授权“赛先生”转载

  睡眠的主要功能是让大脑休息和帮助我们记忆。

  首先,很显然,睡眠能帮助我们节约能量。

  从进化的角度上来说,睡眠最开始可能只有一个简单的功能,随着演化的过程又不断被赋予了新的使命。就好比当初手机是被发明用来打电话的,伴随着科技的进步,我们逐步开始使用手机来拍照、上网、发邮件和聊微信等等。研究表明,睡眠不是具备大脑袋和复杂记忆的脊椎动物所独有的,几乎所有的动物都是需要睡觉的(图1)。简单如细菌也有着昼夜节律。因此,在睡眠的好处中,适用于最广泛的物种的好处很可能就是其最原始的作用。

  图1. 不同动物每天的睡眠时长。一般来说,捕食者和睡觉时相对安全的动物的睡眠时间较长;在睡眠中可能遭到攻击的动物睡眠时间较短[1]。

  这个功能很可能就是保存能量。几乎所有的动物都会在一天中的特定时间段表现出较高的效率。视力好的动物在白天更高效。而依靠超声波生存的动物在夜晚更高效,更易捕捉猎物,而且不容易被天敌发现。睡眠时,哺乳动物体温会下降1-2摄氏度,肌肉活动和脑力活动会大量减少,这能节省不少能量。在工作效率不高的时候睡眠可以帮助我们节约能量,这对在温饱线附近挣扎的动物和原始人类是性命攸关的事情。在食物匮乏的季节,动物们会通过延长睡眠时间(甚至开始冬眠)来保存能量。

  随着进化的推进,某些物种摆脱了温饱线的束缚,不再对终日为了填饱肚子而奔波,比如人类。甚至有人说睡一晚只能帮我们人类大约节省110卡路里,仅相当于一个热狗面包。那是不是说,我们每天只要多吃一个热狗面包,就可以不用睡觉了?很显然,答案是否定的。这说明,除了帮助节约能量之外,睡眠对人类还有更重要的意义。

  其次,睡眠能帮助我们修复身体和大脑。

  为什么如果睡眠被剥夺,我们的身心都会感到非常难受?因为睡眠有助于我们的身体和大脑进行自我修复。睡眠有助于身体健康,期间会促进蛋白质合成、细胞更新、生长激素的释放和修复免疫功能等等。同样,睡眠也有利于大脑清除代谢废物,让大脑更高效的运转(图2)。睡眠不足往往能给我们的身体和大脑带来多方面的危害(图3)。

  图2. 小鼠大脑中的细胞外(间质)空间是脑脊液流动的通道,会从清醒时的14%增加到睡眠时的23%,这允许大脑可以更快地清除代谢废物和毒素[2]。

  研究表明,在睡眠中,抑制性神经递质GABA的释放通常是增加的,如果睡眠被剥夺的话,GABA会积聚在神经元中[3],并且会在觉醒状态下大量释放出来。觉醒时GABA释放量增多通常会导致注意力功能的损害[4]。因此睡眠不足往往会导致我们的注意力涣散,会因此忽视很多重要刺激,比如远处红绿灯信号的变化。睡眠不足时工人发生事故、大学生学习成绩不佳的主要原因之一。有人认为,在睡眠剥夺状态下开车就如酒后驾车一般危险。

  长期的睡眠紊乱会给我们带来很多问题。比如在长期的太空旅行中,宇航员会感到抑郁、易怒、警觉性下降、工作表现不佳。在南极工作的人,冬天睡眠也会很糟糕,并会感到抑郁。一夜不睡就会激活人体免疫系统。似乎人体对睡眠剥夺的反应与对疾病的反应是一样的。随着睡眠剥夺时间的延长,人们会报告头晕、震颤,并出现幻觉。

  图3. 睡眠不足会给身体和大脑造成广泛而深远危害。(图片来自网络)

  然而,个体对睡眠的需求存在差异。我们周围有不少“夜猫子”,喜欢晚睡晚起。他们的大脑唤醒水平高于平均水平。研究表明,腺苷能在觉醒时不断积聚,并引发睡意,在睡眠时则会被清理掉[5]。普通人通常比“夜猫子”更容易受益于咖啡因的提神效果。原因就是因为咖啡因作用机制是通过阻断腺苷受体来提高觉醒度。

  再次,睡眠能帮助我们巩固记忆。

  记忆的类型有很多,既包括陈述性记忆,也包括非陈述性记忆(详见前文:记忆的分类及其理论模型)。可以说,记忆是我们应对复杂生存环境的基础。睡眠不足的人的在记忆力任务中通常会表现不佳。相反,如果让人先学习一些东西,然后马上去睡觉,或者只是打个盹,他们的记忆通常都会得到提高[6]。因此给学生们的建议是:要在充分休息好的状态下学习,睡前再做一些复习。

  那么睡眠是如何促进记忆的呢?研究表明,学习时的大脑活动模式会在睡眠期间“重放”(replaying)一遍,只不过速度更快一些(图4)。并且,睡眠时这些脑区的活动水平与次日技能的提升高度相关[7]。在另一项有趣的研究中,被试的任务是记住几个物体的位置。实验组人群在充满玫瑰香味的环境中做任务,对照组则在没有香味的环境中做任务。晚上睡觉的时候,研究人员向实验组被试呈现了玫瑰香味。结果,那些在记忆任务和睡眠中都问道玫瑰香味的人,记忆得到了提升。在被试清醒状态下再次呈现玫瑰香味则不能带来类似的效果[8]。这个结果表明,在睡眠中重现某些经历有助于增强记忆。

  图4. 大鼠前额叶皮层中的神经元在学习任务时会一同被激活,并且在学习后的睡眠中也会再次被一起激活。图中显示,在学习后的睡眠中,神经元与神经元之间(神经元对)的交互相关性(cross-correlation)会呈现与学习过程中相似的模式[7]。这说明神经元可能在睡眠中 “重放”学习过的任务。(详细分析请见之前回答:睡眠可以帮助大脑整理白天学过的知识吗?)

  睡眠促进记忆还可能与睡眠期间的纺锤波(慢波振荡)有关。纺锤波是一种频率为12-14Hz的脑电波,主要出现在第二阶段睡眠中,代表了丘脑(脑内信息的中转站)与大脑皮层(存储记忆的部位)间的信息交换。在学习任务之后,老鼠和人类的睡眠纺锤波的数量都会增加[9]。并且,睡眠期间的纺锤波数量与非语言智力测验得分有较高的相关性。也就是说,纺锤波还能预测智商。

  图5.睡眠期间发生的神经元的再激活、慢波振荡和突触修饰被认为与记忆的增强相关[10]。(详见之前回答:睡眠可以帮助大脑整理白天学过的知识吗?)

  睡眠增强记忆的另一个机制就是清除不必要的神经连接。我们日常生活中的经历会强化突触连接(脑细胞与脑细胞之间的连接),进而促进记忆,这就是所谓的长时程增强现象(Long-term

  potentiation,LTP)。但是,随着年龄的增加,我们大脑中的突触连接会越来越多,而大脑的容量却不会增加。如果任由突触连接不断增长,我们的大脑可能会因为不堪忍受持续不断的活动而“烧掉”。因此,大脑需要在增强某些突触连接的同时会代偿性地削弱其他不必要的连接。这种削弱的过程通常发生在睡眠期间[11]。在清醒状态下增强突触连接,在睡眠中削弱不重要的突触连接,这两种效果相得益彰。这可能是睡眠促进记忆的最主要原因。

  最后,稍微总结和展望一下。

  睡眠作为动物们普遍共有的一项生命活动,它的早期功能可能仅仅是为了帮助生命体节约能量。伴随着进化的进行,物种遇到新的机遇和挑战,“大脑”不断演化,睡眠也不断被赋予新的使命。对于人类而言,通过睡眠来保存能量可能已经不是那么必要了,恢复大脑的状态和帮助巩固记忆已经变成了睡眠的主要功能。或许,随着科技的进步,大脑的修复和记忆的巩固等功能今后可能也会不需要睡眠来执行。到那时候,我们还需要睡眠吗?

  一个小问题:未来的人类,是不是只要吃一个热狗面包、插入一张记忆芯片,然后就可以不用睡觉了呢?

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  参考文献:

  1. Kalat, J., Biological psychology. 2015: Nelson Education.

  2. Herculano-Houzel, S., Neuroscience. Sleep it out. Science, 2013. 342(6156): p. 316-7.

  3. Gvilia, I., et al., Homeostatic regulation of sleep: a role for preoptic area neurons. J Neurosci, 2006. 26(37): p. 9426-33.

  4. Akerstedt, T., Altered sleep/wake patterns and mental performance. Physiol Behav, 2007. 90(2-3): p. 209-18.

  5. Rainnie, D.G., et al., Adenosine inhibition of mesopontine cholinergic neurons: implications for EEG arousal. Science, 1994. 263(5147): p. 689-92.

  6. Stickgold, R., et al., Visual discrimination task improvement: A multi-step process occurring during sleep. J Cogn Neurosci, 2000. 12(2): p. 246-54.

  7. Euston, D.R., M. Tatsuno, and B.L. McNaughton, Fast-forward playback of recent memory sequences in prefrontal cortex during sleep. Science, 2007. 318(5853): p. 1147-50.

  8. Rasch, B., et al., Odor cues during slow-wave sleep prompt declarative memory consolidation. Science, 2007. 315(5817): p. 1426-9.

  9. Eschenko, O., et al., Elevated sleep spindle density after learning or after retrieval in rats. J Neurosci, 2006. 26(50): p. 12914-20.

  10. Euston, D.R. and H.W. Steenland, Neuroscience. Memories--getting wired during sleep. Science, 2014. 344(6188): p. 1087-8.

  11. Vyazovskiy, V.V., et al., Molecular and electrophysiological evidence for net synaptic potentiation in wake and depression in sleep. Nat Neurosci, 2008. 11(2): p. 200-8.

  推荐阅读:

  想了解记忆的定义及类型?请见:记忆的分类及其理论模型

  想详细了解睡眠对记忆的巩固机制?请见:睡眠可以帮助大脑整理白天学过的知识吗?

  想了解记忆到底有多重要?请见:为什么失忆的人忘了自己是谁别人是谁以及过往,忘不了桌子是桌子,椅子是椅子?

  也欢迎大家阅读我的专题文章:

  东华君的知乎《文章目录》

  晚上倒时差睡不着,写一个生物流体与神经信号匹配角度的新研究。

  众所周知,在睡觉过程中会交替出现快速眼动睡眠和非快速眼动睡眠(深度睡眠)。在快速眼动睡眠中我们会做梦,而深度睡眠中,我们的脑脊液 (cerebrospinal fluid,简称CSF) 会不断的流经大脑组织,带走废物和毒素,如图1。顺带说一句,我们的大脑每天大概要生成500毫升的脑脊液,这些液体还有维持大脑体液循环和保护大脑组织的任务。因此,基本来说深度睡眠的长短决定着每晚睡眠的质量,很多人夜晚佩戴手环和穿戴式电子设备主要也是用来记录这个过程。

  图1. 脑脊液循环示意图

  而就在上个月,一篇刊登在《Science》杂志上的报告显示,存在着一套体液和神经系统高度协作的机制,以使深度睡眠中对于大脑废料的清理极为高效 (Fultz et al., 2019)。研究人员们发现,每经过大概20秒,没错,就是够高铁开过两公里的时间,大脑会有节律的排出大脑中的血液,从而腾出空间供脑脊液进入,如图2。并且,这个以20秒为周期的一进一出,可以更好的使脑脊液与脑组织中含有毒素和废料的待清理液体更好的混合。

  图2. 脑血氧水平(BOLD)和脑脊液(CSF)的周期行变化 (Fultz et al., 2019)

  当然,这里研究人员开了个小脑洞,他们认为这个脑血氧水平 (Blood Oxygen Level-Dependent, BOLD),某种程度上就正比于脑血流。然后发现对于脑血氧水平求微分,就正好和增加的脑脊液体积相加等于0,如图3。然后呢数据就非常好看,并且非常好的证明了他们的观点,但是我觉得这里有一点牵强,欢迎大家留言讨论。

  图3. 某种非常牵强的定量关系 (Fultz et al., 2019)

  更神奇的是,研究者们还发现脑电波信号 (Electro-encephalogram, 简称EEG)也存在相似的节律,但是比脑脊液的大量涌入早6-7秒钟。所以说呢,这个大脑有节律的自清洁行为,是由神经电信号控制的。这个就非常有意思了,因为很多脑部的疾病都是与脑电波节律紊乱或受抑制相关的,而脑电波出了问题,睡眠中对于大脑废料的清理就也有很大可能会出问题,这整条线的理论就说的通了。举个例子,老年的失忆症在2013年被发现与深度睡眠中的脑电波慢波受抑制有关 (Mander et al., 2013),因此呢睡觉的时候大脑代谢废物的清理就不够充分,长此以往就影响了大脑的记忆功能,这就有点道理了。

  当然,在这个研究之前,很多疾病都被证明与睡眠质量有关。比如,还是在2013年时就已经发现,在睡眠中清理Beta淀粉蛋白的速度是平时的两倍 (Xie et al., 2013),而这个蛋白一直被认为就是直接导致阿尔兹海默症的罪魁祸首。所以啊,诸位早该好好睡觉了,我也睡了。

  References

  Fultz, N.E. et al., 2019. Coupled electrophysiological, hemodynamic, and cerebrospinal fluid oscillations in human sleep. Science, 366(6465), pp.628–631.

  Mander, B.A. et al., 2013. Prefrontal atrophy, disrupted NREM slow waves and impaired hippocampal-dependent memory in aging. Nature neuroscience, 16(3), pp.357–364.

  Xie, L. et al., 2013. Sleep drives metabolite clearance from the adult brain. Science, 342(6156), pp.373–377.

  在此之前先和大家讲一种最极端、最可怕的失眠症,这是一种非常罕见的病症,叫作致死性家族失眠症。这种病总能要人的命。

  最早的医学记载见于 1986 年。它是一种遗传性疾病(因此是家族性的),据我们所知,只影响全世界上大约 36 个家庭。患者完全失去入睡的能力,慢慢地死于疲惫和多器官衰竭。

  「啊,睡眠,啊,温柔的睡眠,自然的甜蜜的伴娘。」

  ——威廉·莎士比亚,《亨利四世》第二部

  I

  睡眠是我们做得最神秘的事情。我们知道它至关重要,却又不知道确切原因。我们说不准睡眠是为了什么,什么样的睡眠量最有益健康和幸福,又或是,为什么有些人很容易入睡,有些人却辗转难眠。我们在睡眠中投入 1/3 的人生。我写这本书的时候 66 岁,我的睡眠总时长,相当于整个 21 世纪的头 20 年。

  身体没有哪一部分不得益于睡眠,也没有哪一部分不因睡眠不足而苦。如果你长时间缺乏睡眠,你会死——尽管究竟是什么原因导致你因缺乏睡眠而死,同样是个谜。1989 年,来自芝加哥大学的研究人员做了一项如今不大可能重复的残忍实验[1]:他们让 10 只老鼠保持清醒直至死亡;过了 11~32 天,这些老鼠才精疲力竭地被死亡打垮。验尸报告显示,这些老鼠身上并没有任何可以解释其死亡的异常现象,只不过,它们的身体放弃了。

  睡眠与大量生物过程有关,如巩固记忆、恢复荷尔蒙平衡、清除大脑中累积的神经毒素、重置免疫系统等。有高血压早期症状的人[2]每晚比之前提前睡一小时,血压读数会表现出明显的改善。简单地说,睡眠似乎是对身体的一种夜间调整。

  2013 年,加州大学旧金山分校的教授洛伦·弗兰克(Loren Frank)告诉《自然》杂志:「人人都说,睡眠对记忆传输到大脑其余部分很重要。但问题是,基本上没有直接证据支持这个观点。」但为什么我们应该为了睡眠彻底地放弃意识,仍是一个有待回答的问题。在沉睡中,我们不光不参与外部世界,而且实际上几乎处于瘫痪状态。

  睡眠显然不仅仅是休息。有一个事实很好玩:冬眠的动物其实同样有着睡眠期。我们大多数人会为此感到意外,但冬眠和睡眠完全不是一回事,至少从神经学和新陈代谢的角度看不是。冬眠更像是受了震荡或麻醉:主体无意识,但实际上并没有睡着。故此,冬眠的动物在较大的无意识状态中,每天获得几小时的常规睡眠。更让我们感到意外的是,最著名的冬眠动物熊,其实并不冬眠。真正的冬眠包括深度的无意识和体温的剧烈下降(往往降低到 0℃ 左右)。根据这个定义,熊不冬眠是因为它们的体温接近正常,很容易被唤醒。它们的冬眠叫作不活跃状态更合适。

  不管睡眠带给我们什么,它都不仅仅是一段休养生息的静待期。一定有些什么东西让我们如此渴望睡眠,哪怕它让我们难以抵挡强盗或捕食者的攻击,然而,就目前所知,睡眠对我们所做的一切事情,没有哪一件不能在人清醒但休息的时候完成。我们不知道为什么在大部分的夜里,我们会经历那种名叫做梦的、常常令人不安的超现实幻觉。从表面上看,被僵尸追赶,或发现自己莫名其妙光溜溜地置身公交站台,在这种恢复精力的方式中消磨黑暗时光不免太过可怕。

  然而,普遍的看法仍认为,睡眠必定满足了某种深层的基本需求。著名睡眠研究人员艾伦·瑞赫恰芬(Allan Rechtschaffen)多年前就说过:「如果睡眠没有[3]一个绝对关键的功能,那么它就是演化过程所犯的最大错误。」尽管如此,时至今日,对睡眠所做的一切,我们只知道它「让我们更好地保持清醒」(来自另一位研究人员)。

  所有的动物似乎都睡觉。哪怕像线虫和果蝇这样简单的生物[4]也有休眠期。动物所需的睡眠量存在显著差异。大象和马每晚只睡两三个小时。没人知道为什么它们的需求量这么少。其他大多数哺乳动物需要多得多的睡眠量。过去认为是哺乳动物界睡眠冠军的三趾树懒,据说每天要睡多至 20 小时,但这个数字来自对圈养树懒的研究,它们没有天敌,也没有太多可以做的事情。野生树懒一天大概睡 10 小时——并不比我们长太多。令人惊奇的是,一些鸟类和海洋哺乳动物能够一次只关闭一半大脑,这样,一半大脑打盹儿,另一半大脑可以保持警惕。

  现代对睡眠的理解,可以追溯到 1951 年 12 月的一个晚上,芝加哥大学一位名叫尤金·阿塞林斯基(Eugene Aserinsky)的年轻睡眠研究员,试用了实验室刚弄到的一台脑电波测试机。阿塞林斯基头一个晚上的受试者[5],是他 8 岁的儿子阿蒙德。

  小阿蒙德安稳地进入了正常而言的宁静睡眠 90 分钟以后,阿塞林斯基惊讶地看到,监视器的卷轴坐标纸突然跳动起来,并开始出现与活跃、清醒意识相关的锯齿状轨迹。但当阿塞林斯基走到隔壁时,他发现阿蒙德还在熟睡,只不过,他的眼睛在眼皮下可见地转动着。阿塞林斯基就此发现了快速眼动睡眠,也是我们夜间睡眠周期中最有趣、最神秘的一个阶段。阿塞林斯基并没有立刻公布这一消息。过了差不多两年,《科学》杂志才发表了一篇关于这一发现的小报告。[1]

  我们现在知道,正常的夜间睡眠由一系列周期组成,每个周期包括 4~5 个阶段(取决于你喜欢的分类方法)。首先是放弃意识,大多数人需要 5~15 分钟来完全实现。接下来的大约 20 分钟,我们睡得轻而滋补,类似打盹。前两个阶段的睡眠很浅[6],你可能睡着了,但以为自己还醒着。而后是深度睡眠,持续大约 1 小时,从这个阶段清醒过来要难得多。(一些权威人士将这一时期分为 2 个阶段,这样睡眠周期便分为 5 个而非 4 个不同的阶段。)最后是快速眼动阶段(REM),我们做梦大多是在这时候。

  在睡眠周期的 REM 阶段,入睡者基本上处于瘫痪状态,但眼睛在闭着的眼皮下快速转动,就像在看一出紧张的情节剧,大脑也跟清醒时同样活跃。事实上,在 REM 睡眠中,前脑的某些部分比人完全清醒、四处走动时更活跃。

  REM 睡眠中为什么眼睛会动,原因还不确定。一个显而易见的设想是,我们在「看着」自己的梦。身体各部位在 REM 阶段并不是全都处于麻痹状态。你的心脏和肺还在正常运转(原因很明显),你的眼睛可以自由转动,但控制身体运动的肌肉全受到了限制。最常提出的解释是,我们在噩梦中挣扎或试图逃离攻击时,被固定住不能动可以让我们避免受伤。有一种叫作快速眼动睡眠行为异常的罕见疾病,患病者的四肢在 REM 睡眠阶段不会进入麻痹状态,而且他们有时真的会因为胳膊腿儿乱动弹而伤害自己或伴侣。还有一些人,醒来之后麻痹状态不会立刻解除,受害者会发现自己醒了,但无法动弹——这似乎是一种令人深感不安的经历,但好在它一般只持续几分钟。

  REM 睡眠在每晚睡眠中约占 2 小时,大致为总时长的 1/4。随着夜晚的流逝,REM 睡眠的时间会变长,所以你的梦幻魔法大多出现在醒来前的最后几小时。

  睡眠周期一晚上重复 4~5 次。每个周期持续差不多 90 分钟,但也有所不同。REM 睡眠对发育似乎很重要。新生婴儿至少有 50% 的睡眠时间处在 REM 阶段(新生婴儿的大部分时间都在睡觉)。对胎儿来说,REM 阶段可能多达总睡眠时长的 80%。颇久以来,人们认为,人做梦都是在 REM 睡眠期间,但威斯康星大学 2017 年的一项研究发现,71% 的人曾在非 REM 睡眠期做过梦(在 REM 睡眠期做过梦的人为 95%)。大多数男性在 REM 睡眠期会勃起[7]。类似地,女性生殖器的血流量也会增加。没有人知道为什么,但它似乎与情爱冲动没有明显的联系。一般来说,男性每晚勃起 2 小时左右。

  和大多数人想的不同,我们晚上很不消停。一般人一晚上会翻身[8]或明显地改变姿势 30~40 次。我们醒来的次数也比你想的要多得多。人在夜间的觉醒和短暂的清醒,加起来可以达到 30 分钟而不自知。1995 年,作家阿尔·阿尔瓦雷斯(A. Alvarez)为了撰写《夜晚》(Night)而拜访了一家睡眠诊所,他以为自己毫无间断地熟睡了一整夜,等早晨看图表时,才知道自己醒过 23 次。他还做了 5 次梦,但他什么也不记得了。

  除了正常的夜间睡眠,我们通常还会遁入一种名为「临睡幻觉」的半睡半醒状态,也就是介乎清醒和无意识之间的阴间(netherworld),而且我们还往往意识不到。值得警惕的是,睡眠科学家对 12 名长途飞行的飞行员进行了研究[9],他们发现,几乎所有飞行员都曾在飞行的不同时间睡着,或接近睡着,但没有人意识到。

  睡眠者和外部世界的关系往往很有意思。我们大多数人都体验过睡着时突然落下的感觉,这种感觉叫作入睡痉挛或肌阵挛抽动。没人知道它为什么出现。有一种理论提出,这要追溯到我们睡在树上的日子,那时的我们必须当心不从树上掉下来。入睡痉挛兴许相当于消防演习。这看似有些牵强,但想起来的确有些奇怪,不管我们睡得何等沉,或者睡得何等不消停,我们几乎从不会从床上掉下来,哪怕是在酒店陌生的床上。我们或许毫无反应,但内心的某个哨兵却跟踪着床的边缘,不让我们越过界限(除非是喝醉或者发高烧)。我们身体里似乎有个部分,刘威葳正留意着外面的世界,就算是睡得最沉的人也不例外。按保罗·马丁(Paul Martin)在《数绵羊》(Counting Sheep)一书的引述,牛津大学进行过一些相关研究发现,如果在受试者睡着时大声念其名字,他们的脑电图读数会出现波动,但念出其他不认得的名字,受试者没有反应。实验还表明,人们很擅长不用闹钟而在预定的时间叫醒自己,这意味着,睡觉时大脑的一部分必定跟踪着头骨外的真实世界。

  做梦说不定只是大脑夜间清理的副产物。当大脑清除废物并巩固记忆时,神经回路会随机放电,短暂地抛出支离破碎的图像,就有点像人切换不同的电视频道,寻找可看的节目。面对这些记忆、焦虑、幻想、压抑等不连贯情绪流,大脑可能会试着将它们整合成一个合理的故事,也可能,因为它本身处于休息状态,它什么也没做,只是让不连贯的脉冲流过去。这也许可以解释[10]不管梦有多激烈,我们往往都不太记得,因为它们并没有真正的意义,而且也不重要。

  II

  1999 年,经过 10 年的精心研究,伦敦帝国理工学院的研究员罗素·福斯特(Russell Foster)证明了一件看似不太可能、大多数人都拒绝相信的事。福斯特发现,除了众所周知的视杆细胞和视锥细胞外,我们的眼睛还含有第三种感光细胞。这类额外的感受器名叫光敏视网膜神经节细胞,它们与视觉无关,只用来探测亮度——知道什么时候是白天、什么时候是晚上。它们将这些信息传递给大脑中两条微小的神经元束,后者跟针头差不多,位于下丘脑,俗称视交叉上核。这两条神经束(左右半脑各一)控制着我们的昼夜节律。它们是身体的闹钟,告诉我们什么时候起床、什么时候停下来休息。

  所有这一切看似完全合乎情理,能知道也很不错,但福斯特公布自己的发现后,却引得眼科学界一片哗然。几乎没人能相信,像眼部细胞类型这么基本的东西,竟然被忽视了这么久。在福斯特的一场讲演中,一名观众高喊[11]「胡扯」,并大摇大摆地退了场。

  福斯特说:「他们很难接受自己已经研究了[12]150 年的东西,也就是人类的眼睛里,竟然有一种细胞类型,他们完全忽视了其功能。」事实上,福斯特是对的,而且在那以后得到了彻底的验证。「他们现在的态度温和多了。」他开玩笑地说。如今,福斯特是牛津大学昼夜节律神经科学教授兼纳菲尔德眼科实验室主任。

  我们在福斯特离高街不远的布莱塞诺斯学院办公室见面,他告诉我:「这第三种感受器真正有趣的地方在于,它们的功能完全独立于视觉。我们做了一次实验,请一位完全失明的女士(她因遗传疾病完全丧失了视杆细胞和视锥细胞)判断房间里的灯是开还是关。这位女士说,别胡闹,她什么也看不见。但我们还是请她试一试。结果,她的判断每次都是对的。虽说她没有视觉(无法『看见』灯),但她的大脑在潜意识水平上完美地探测到了光线的明暗。她大感吃惊。我们也是。」

  自从福斯特的研究公布以来,科学家们发现,我们不光在大脑中有生物钟,全身各处都有生物钟——胰腺、肝脏、心脏、肾脏、脂肪组织、肌肉等所有地方——这些器官按自己的时间表运作,规定什么时候释放激素,器官什么时候最繁忙或者最轻松。[2]例如,你的条件反射,在下午的时候最为敏锐,而血压在晚上达到顶峰。男性分泌的睾丸激素,在大清早往往比一天里更晚的时候要多。如果这些系统里有哪一套过分不协调,就会导致问题。据信,身体日常节律紊乱,有可能助长(有些情况下甚至是罪魁祸首)糖尿病、心脏病、抑郁症和体重的大幅增加。

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原创文章,作者:科学君,如若转载,请注明出处:http://www.brotherphp.com/js/15499.html