我们为什么要睡觉?
1633字
2019-10-21 13:07
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火星译客

试试尽你最大的努力向外星人解释我们为什么睡觉。

“嗯,我们会累的。我们的大脑需要休息。”

“我明白了。那么,你这是在大脑休息的时候找到另一种保护自己的方法了吗?”

“嗯……没有。我们在睡觉的时候身体会瘫痪,我们会失去知觉。”

你们之间尴尬的停顿了一下。外星人歪着头,装出理解的样子。

“但是!我们有时候会做梦!”

“做梦?”

一切都是毫无目的的,你甚至不知道自己听起来有多荒谬。接着,你说话变得前所未有的快,越来越抑扬顿挫,连你自己都没有意识到:“是的!梦是从我们头脑投射到我们头脑自身里的奇妙故事,有时会和已经发生的事情混在一起!”

你喘着气,傻乎乎地笑了。

“那么……这些梦有助于你们生存吗?”

“嗯……这倒没有,在现实生活中,这些梦的内容有时候会让我们感到困惑。”你突然意识到。

外星人默默地眨了几下眼睛,皱了皱眉头:

“让我来里看看我能不能理解:你们这个种族三分之一的时间都瘫痪在床上看奇幻电影?”

我们有理由认为,人类注定要因为这个令人不安的谈话而准备时刻灭亡,外星人会在我们这个无能为力、看似徒劳的生存阶段(睡眠)策划对我们的偷袭。

但睡眠对于我们来说其实并不是徒劳的。事实上有关睡眠的理论认为,睡眠在恢复身体细胞活力、清除大脑废物以及支持学习和记忆方面发挥着重要作用,它甚至可以调节情绪、食欲和生理欲望。然而,当我们的大脑落在枕头上时,我们的大脑内部究竟发生了什么?你们这些外星人呐,在这方面你可得学着点了。

从有记载的历史开始,有关我们为什么睡觉的思考就存在了。大约2000年前,第一个“原子主义者”留基伯(Leucippus)将睡眠描述为是当“精细结构原子的排泄超过了精神温暖的增加”时发生在身体上的事情。这挺异想天开的。

另一位著名的古代哲学家卢克莱修(Lucretius)认为,睡眠是由于精神受到神秘的空气微粒的攻击而进入衰老状态。这个就有点荒谬了。最后,亚里士多德根据是否存在知觉来将睡眠和觉醒区分为两个截然相反的现象。这才是恰到好处的描述。他说:“睡眠是由摄入食物的散发所引起的,这些食物会使血液变浓变热,在聚集在心脏之前,这些温热的血液会上升到大脑进行冷却。”

至少他关于大脑的那部分是对的。事实上,脑电图(EEG)测量脑电波的数据已经将睡眠分为两种状态:非快速眼动( non-REM或NREM,进一步分为S1、S2、S3和S4阶段)和快速眼动(REM),快速眼动会在在夜间每90分钟就重复几次。

当睡意袭来但仍然清醒时,人的脑电波会变慢,振幅升高,变得更同步(α波)。睡眠的第一个正式阶段是清醒和睡眠之间的过渡阶段,以β波为特征,β波的频率比α波更慢,振幅更高。许多睡眠不足的人都会经历微睡眠(可怕的是就连开车的时候这种微睡眠也会发生),微睡眠是第二长的短暂睡眠阶段,这时候β波代替了α波的活动,当处于这个阶段时,大多数人甚至没有意识到他们已经睡着了。

在第二阶段的睡眠中,波的活动继续,在丘脑(大脑中调节睡眠的区域)和大脑皮层的其余部分之间穿插振荡。第一阶段和第二阶段是相对“轻”的睡眠阶段,在这两个阶段中,醒来很容易,而且睡觉的人可能根本不知道自己在睡觉。

到第三和第四阶段,特征是波,最慢和最高振幅的脑波,最不像清醒的脑波。由于三角洲睡眠是深度睡眠,它是最困难的阶段,唤醒沉睡者,当他们被唤醒,他们通常是困和迷失方向。有趣的是,三角洲睡眠是最可能发生梦游和梦话的时候。

在非快速眼动睡眠中,感觉信息以与清醒时大脑相似的方式继续传递和编码——尤其是在感觉皮质层。随着睡眠的进行,反应和意识会减弱。知觉活动变得越来越自主。思想变得专注于内部,不再受外部环境的限制。

这种模式在静息状态网络的分析中是可视化的(静息状态网络是大脑区域同步激活的网络)。数据显示,在睡眠中,大脑内有两种网络仍然保持活跃,和大脑在清醒状态下差不多,那就是默认模式网络和感觉运动网络。默认模式网络在自发思考(白日梦)时被激活,而感觉网络则会在刺激感知时被激活。与中央执行网络(中央执行网络是一个在高阶处理过程(如抑制)中活跃的网络)连接的减少会让思想自由地漫游在幻想中,并创建了一些不合逻辑的场景,例如,白发龙母喂养的龙在地球上遨游。

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图1.

最后,是弗洛伊德最感兴趣的快速眼动(REM)时期,这个阶段得名于伴随它出现的快速眼动(Rapid eye Movement)现象。这个时期很有趣,人会表现出肌肉张力的突然急剧丧失现象——实际上就是瘫痪,更重要的是,它在神经学上与清醒(非同步脑电波)是相同的,除此之外还以血压、心率和总呼吸频率的变化为特征,当然了,还有做梦。

柏拉图是第一个从心理学角度思考梦的人,他说:“我们所有人,包括那些最受人尊敬的人,心里都有一种无法无天的野兽本性,它会在我们的睡梦中向外窥视。”这预示了弗洛伊德关于梦是满足的理论,但并没有从神经学上解释1963年马丁·路德·金在1963年做的那个梦(1963年马丁·路德·金发表它的著名演讲《我有一个梦想》)。

首先,梦不是幻觉。虽然幻觉和精神分裂症等临床疾病有一些共同的特征,但幻觉是根据全脑激活来进行定义的,幻觉是投射到个人深刻记忆的现实中的真实电影。而与此相反,梦的特点是初级和次级感觉皮质的激活,加上额叶皮质的功能紊乱(额叶皮质是执行“抑制”等重要高阶功能的地方),如果梦的情感含量很高,大脑的边缘系统也会受到牵连。

而缺乏额叶功能的话则会导致自我意识下降和怪异的梦境内容,同时限制任何传入的信息,形成一个紧密独立的梦境循环。这也许是赫拉克利特最富有诗意的描述,他用他那令人难忘的句子评论了梦的主观本质:“对于醒着的人来说,他们只有一个共同的宇宙,而在睡眠中,每个人都变成了自己的私人宇宙。”

人们还会做清明梦——即意识到自己在梦中的梦。一些研究发现,与正常的快速眼动睡眠相比,做清明梦时前额叶皮层的激活程度有所增加。这一区域的典型失活导致了人在睡梦中出现不恰当社交行为和逻辑推理能力丧失(如果你在醒来之后仍然能记住梦的内容的话)。

如果你不记得你的梦的话,你可以谷歌它们。真的,不开玩笑,谷歌的人工神经网络就像一个计算机大脑,灵感来源于动物的中枢神经系统。当它被赋予从白噪声中自由创作图像的能力时,它会创作出美丽、复杂、埃舍尔式的图像,谷歌的工程师们称之为“人工智能的梦”。这些神经网络的梦被用于理解计算机是如何从无意义的东西中理解意义的——或者说如何学习。

让我们重新回到外星人最初的问题是:“但我们为什么要睡觉呢?”最简单的答案是:我们还不知道,但相关的理论倒比比皆是。有一种理论认为睡眠在记忆巩固中扮演着重要的角色,即记忆变得牢固的能力。研究表明,快速眼动睡眠除了过滤掉不必要的记忆外,还能强化保存过去记忆的受损神经回路,为未来的认知处理过程做准备。Poe等人的一项研究(2014年)阐明了这一点:“证据表明,突触回路的压花有一种整体功能,它可以为记忆增加清晰度,将其与清醒状态下突触权重所受到的噪声区分开来。”

它被称为“突触稳态假说”,这个假说认为在睡眠期间,整个大脑的连接(突触)普遍都会减弱,这种减弱被认为是为了平衡我们醒着时在学习期间发生的连接的整体加强。通过去除多余的联系,睡眠可以有效地“清理记忆”,这样我们第二天就可以再次学习。在某些情况下,干扰这种神经联系减弱的过程可能会导致更强烈的(或者是多余的)记忆。

鉴于外星人对这一理论好像不太感兴趣,另一种理论认为,睡眠具有修复作用:它能排出大脑的毒素。在睡眠期间,脑细胞之间的空间会增大,使得有毒蛋白质可以被排出体外,通过清除大脑中的这些毒素,睡眠有可能可以避免像阿尔茨海默氏症这样的神经退行性疾病。事实上,在2013年10月的《科学》(Science)杂志上,研究人员发表了一项研究结果,结果表明大脑会利用睡眠来排毒,他们认为,这种毒素处理机制是我们睡觉的主要原因之一。

虽然我们对睡眠的功能没有一个精确的总体定义,但它会影响不同的生理和心理目的,包括清除大脑中的毒素和将信息巩固到记忆中,所以这些理论都有可能用来解释我们为什么会睡觉,我们只是还没研究出来。饶了我们吧外星人,毕竟我们大部分时间都在睡觉啊!

这里所表达的观点是作者的观点,不一定是《科学美国人》的观点。

关于作者

Teodora Stoica

Teodora Stoica是路易斯维尔大学转化神经科学系的博士生。她在自己的个人博客CuriousCortex上写了些关于科学的文章。她目前是人类大脑绘图组织通信委员会的成员。你可以在推特上关注她@CuriousCortex。

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