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我们为什么要睡觉?

2013-10-09  渔翁很快乐
睡眠这件事儿,耗去了我们的小半生——有1/3的时间我们都在睡觉。然而,为什么要睡觉?人们一直在探索,从未有定论

  【苏木七/文】

  未解之谜

  有人会说,睡觉是为了让大脑和身体休息,满血复活——这样显而易见的答案却经不起推敲,为什么不能在我们清醒的时候进行休整,而非得经历一段无意识的昏昏睡眠?

  睡眠在动物中也很常见,不过它们睡觉的方式各有千秋。蝙蝠把一天内的20个小时都用来睡觉,而马似乎采用了所谓的“达芬奇睡眠法”,一天内打几个盹就够了,加起来才3小时。有些鸟类和水生哺乳动物的睡眠方式更加奇特,左右脑轮流睡觉,可以一边睡觉一边飞翔或游弋。甚至连爬行动物、鱼类、果蝇和线虫有也对外界刺激反应降低的安静的休息阶段,尽管科学界对于是否要将之定义为“睡眠”还颇为踟蹰。

  睡眠如此多态,让那些想给睡眠找出一个唯一的通用的终极解释的研究者们十分苦恼。不过诸多物种的睡眠都有共同点——大脑的变化,例如睡眠中全部或部分意识会丧失,缺觉可损害认知功能。要搞清楚睡眠,必须研究大脑和神经——在神经科学这个还在等待着自己的牛顿的领域,一切仍是扑朔迷离。

  通过研究脑电波(electroencephalograph,EEG),人们还是大致弄清楚了睡眠的各个阶段。人们正常睡眠的一个周期内有两个时相:非快速眼动睡眠期(NREM)和快速眼动睡眠期(REM),NREM和REM交替出现,交替一次即为一周期,持续约90分钟。一晚约有5-6个睡眠周期。NREM还可分为4个阶段。不同的阶段有不同的脑电活动。

  图片来源:Source: Nature Reviews | Immunology [1]


更详细有关入睡抽动或肌肉颤搐的解释,请看:睡觉,抽动一下很正常


  众说纷纭

  有人坚持认为睡眠只是用来保存能量的方式,选择一个隐蔽的地方睡觉,比起四下晃荡来说也安全一点,可减少被天敌发现的机会。不同动物有着截然不同的睡眠习惯,也是不同的生活方式的适应结果。蝙蝠爱吃的昆虫只在黄昏时出来活动,因此只用那时出来捕食就行,其余时间还是躲起来睡觉更安全经济点。海洋里的动物很难找到安全的栖身之所,所以它们不睡觉。此派观点人士认为,水生哺乳动物的“半睡半醒”边游边睡的方式算不上真正的睡觉。 [2]

  批评者认为这派观点低估了睡眠的作用。如果并非“保存能量躲避天敌”这样简单,那么睡眠到底有什么不可忽视的重要作用呢?批评者提出了诸多证据来反驳这一假设。[3]相关解释大致可分两类:

  1、恢复和保养论。即睡眠可帮助恢复精力,消除疲劳。曾经风行一时的观点是人们清醒的时候,大脑里会积累某种“睡眠因子”,达到一定浓度后,必须通过睡眠才能“解锁”,恢复精力。许多睡眠因子被纷纷发掘出来,包括细胞因子、肾上腺素、前列腺素、花生四烯酸衍生物、多肽等[4]。不过并无确凿的证据显示哪种细胞因子可以简单地充当睡眠开关,睡眠的调控网络十分复杂,涉及生物钟、稳态机制、神经递质以及各种睡眠因子的相互作用。弄清这张网络远非易事。还有一种观点认为,清醒时那些大脑运作时必须的蛋白质和RNA等物质被耗尽,必须通过睡眠时再合成进行补充。通过动物实验的确发现,慢波睡眠时这些物质的合成增加。不过,尚不清楚它们与睡眠是因果关系,或只是单纯相关而已。

  2、功能论。这一派学说的主旨在于睡眠是为了实现某种功能。例如弗洛伊德就认为,睡眠时的梦境可以让人们实现在现实中得不到满足的愿望。当然这种“意淫说”缺乏科学依据。

  证据充足的是“记忆巩固说”。不少睡眠剥夺实验显示睡眠会影响长期记忆的巩固。不管是动物还是人,在学习新知识和复习回顾之间睡上一觉的话,效果会好得多。支持该论点的著名动物实验发生在大鼠身上,清醒的大鼠在探索周围的过程中海马细胞的一系列电活动,在它们睡眠时会回放,并且此重现过程对大鼠后来的探索表现很关键。在人身上也观察到了类似的现象,在慢波睡眠时海马细胞会回放之前学习过程中的电活动,并且海马电活动越激烈,第二天被试的表现更好。[5,6]

  “记忆巩固说”广受欢迎,研究颇多,不过近几年来另一种学说异军突起——“突触稳态说(synaptic homeostasis hypothesis, SHY)”[7,8]。突触是神经元之间的连接结构,当我们形成新记忆时,相关的突触连接会加强。而我们觉醒的时候新记忆不断形成,突触连接不断增强,增加能耗——这个过程如果持续下去我们的大脑会吃不消,再也没有空间来形成新的记忆。“突触稳态说”提出,慢波睡眠可解决这个问题,通过减弱不必要的突触连接,平衡各突触权重,回到基线水平,为随后的学习记忆提供空间和能量,以实现记忆的可持续发展。

  不少证据支持该学说,例如一天结束时,相比起一天开始时,我们大脑的灰质会消耗更多的能量。在大鼠和果蝇里也观察到,突触连接在清醒时增强,在睡眠时降低。人们学习新东西时用到的那一部分大脑在睡眠时会产生更深的波。[8-11]

  睡眠这件复杂的事儿,又牵扯到大脑和神经这样复杂的系统,即使有着多种功能也不奇怪,因此也难怪睡眠理论如此百花齐放。任何一种理论,想要深入人心,必须研究清楚详细作用机制,而这条路漫漫而修远兮。

  参考资料:

  [1] Bryant PA, Trinder J, Curtis N. Sick and tired: does sleep have a vital role in the immune system? Nat Rev Immunol. 2004 Jun;4(6):457-67.

  [2] Siegel JM. Sleep viewed as a state of adaptive inactivity. Nat Rev Neurosci. 2009 Oct;10(10):747-53.

  [3] Cirelli C, Tononi G. Is sleep essential? PLoS Biol. 2008 Aug 26;6(8):e216.

  [4] Arias-Carrión O. et al. Biochemical modulation of the sleep-wake cycle: endogenous sleep-inducing factors. J Neurosci Res. 2011 Aug;89(8):1143-9

  [5] Skaggs WE, McNaughton BL. Replay of neuronal firing sequences in rat hippocampus during sleep following spatial experience. Science. 1996 Mar 29;271(5257):1870-3.

  [6] Albouy G, King BR, Maquet P, Doyon J. Hippocampus and striatum: Dynamics and interaction during acquisition and sleep-related motor sequence memory consolidation. Hippocampus. 2013 Aug 8

  [7] Tononi G, Cirelli C. Sleep function and synaptic homeostasis. Sleep Med Rev. 2006 Feb;10(1):49-62. Epub 2005 Dec 22.

  [8] Tononi G, Cirelli C. Time to be SHY? Some comments on sleep and synaptic homeostasis. Neural Plast. 2012;2012:415250

  [9] Tononi G. et al. Sleep homeostasis and cortical synchronization. Sleep. 2007 Dec;30(12):1617-57.

  [10] Bushey D, Tononi G, Cirelli C. Sleep and synaptic homeostasis: structural evidence in Drosophila. Science. 2011 Jun 24;332(6037):1576-81.

  [11] Hanlon EC, Vyazovskiy VV, Faraguna U, Tononi G, Cirelli C. Synaptic potentiation and sleep need: clues from molecular and electrophysiological studies. Curr Top Med Chem. 2011;11(19):2472-82?

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【作者:苏木七 】 (编辑:寇茽)
关键字: 睡觉

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