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人类需要睡觉?最基本生理需要可调节大脑功能!

2019-07-12  一一学习

睡眠之谜

为了每天拥有多一点的工作或学习时间,宁愿晚上少睡几个小时,这样行吗?新技术能让我们在不影响身体健康的情况下,实现每天少睡几个小时的梦想吗?

为什么需要睡眠?

我们每天生命的三分之一时间都用于睡眠,如果被剥夺了太多的睡眠时间,我们的身体就会产生种种不适。但令我们感到困惑的是,我们一直不知道,甚至至今我们仍然还没有真正的弄明白,我们为什么要睡觉?

从表面上看来,答案似乎是显而易见的:充足的睡眠让我们的大脑和身体可以得到休养生息。那为什么我们不能在有意识的情况下休息呢?如果睡眠中的恢复意味着某些身体机能在得到修复,为什么这些事情不能在我们清醒的时候去做呢?

研究动物如何吃、如何学习、如何繁衍后代,科学家不必去质疑这类活动的目的是什么。但对于睡眠研究人员来说,这个大大的“为什么”实在是太神秘了。

睡眠是基本的生理需要

睡眠是一种普遍而不可或缺的生理现象,它做的一定不会是无用功。即使是果蝇和线虫这样的低等生物也会经历一段不吃不动的时间,在这段时间里,很难让它们活动起来。这表明即使对于简单的生物来说,睡眠也是一种最基本的需要。

但是对动物世界的研究表明,睡眠习性和一些明显的生理需要之间并没有明显的联系。事实上,动物睡眠模式的多样性令人困惑。有些种类的蝙蝠每天要睡20个小时,而一些大型食草类哺乳动物每天的睡眠时间不到4小时。例如,马站着打盹每次只需几分钟就行了

生物睡眠模式的千变万化可难住了睡眠功能研究人员。不同物种在睡,一天睡眠时间加起来大约也只有3个小时。

眠中身体变化的差异极大,但在至今为止的动物研究中,受睡眠影响最大的部分显然是大脑。因此大多数睡眠研究者都将研究重点放在大脑上。毕竟,睡眠最明显的特征就是失去自主意识能力,或者至少对于一些动物来说,是自主意识能力的降低。睡眠不足不仅导致人类的认知能力下降,其他一些动物,如蝙蝠、果蝇等许多物种也是这样。

我们在睡眠的大部分时间都是在慢波睡眠中,在第三阶段的睡眠中,可以清楚地看到活跃于整个大脑由神经突触激发神经元引发的脑电波活动。期间穿插着其他睡眠阶段活动,包括类似于清醒时的快速眼动睡眠阶段。

睡眠调节大脑功能

对睡眠的解释可以分为两大类:一类与大脑修复和维护机制有关,另一类与大脑的某些独特的活动功能有关。关于大脑修复和维护机制的猜想和研究已经进行了一个多世纪,曾经流行的一种理论认为:大脑在清醒时某些有害物质会积累起来,而当这种物质积累到一定程度时,就会不可避免地产生睡意。

虽然这种所谓的有害物质一直没能找到,但现代版本的大脑修复维护机制假设:在白天清醒的时候,我们的大脑会消耗掉大量维持大脑运作所需要的大分子,包括蛋白质、RNA和胆固醇,而在睡眠中我们可以得到这些物质的补充。动物实验发现,慢波睡眠中大脑中产生的大分子会增多。虽然一些反对理论认为,大分子增加只能证明这两者之间有所关联,但增加的数量还不足以对睡眠产生影响。

有充分证据表明,我们在睡眠中对各种大脑功能进行调节,例如,记忆的巩固。记忆并非在产生的那一刻就永久性地写进我们的大脑皮层里,最初的记忆痕迹暂时性地在储存大脑的短期记忆区域里,它们极易消失,在之后的重整中,记忆中最重要的一部分才会转为长期记忆。

睡眠中记忆重放的意义

多种实验,包括动物实验和人体实验,都表明记忆可在睡眠中得到强化和巩固。当电极植入睡眠中老鼠的大脑时可以发现,它们大脑中活跃着的那一小簇神经元,正是白天清醒时进行某种活动时大脑活跃的那一部分,这种记忆“重放”模式是睡眠巩固记忆最有力的证明。在睡眠中,大脑中的一些记忆重新活跃起来。

许多实验室仍然将研究重点放在睡眠如何对记忆进行整合上面,但2003年出现了一种涵盖了之前两种理论的新理论,该理论认为睡眠同时起到神经元修复维护和对记忆进行处理巩固的作用。

该理论假设将重点放在神经元之间起着联系沟通作用的神经突触上。我们知道,当我们形成新的记忆时,相关神经元的神经突触活动会增强。该理论认为,我们在清醒时不断形成新的记忆,神经突触也随之得到强化,但这种强化过程不会无休止地进行下去,它需要耗费巨大的能量,最后当我们的神经突触在达到极限而不堪重负时,就再无法形成新的记忆了。

解决这个问题的办法就是慢波睡眠。在没有感知到任何新的信息进入的情况下,神经元和神经突触活动放缓,并开始修复维护神经突触之间的一些不足,新的记忆得以保留下来。如今更多新的理论支持这一“突触稳态假说”。人类大脑扫描显示,我们在一天即将结束时,大脑灰质耗费的能量比一天刚开始时更多。

提出这一假设的是美国威斯康辛大学麦迪逊分校的朱利奥·托诺尼和他的同事。他所做的动物实验显示,啮齿动物和果蝇在清醒时神经突触活动增强,进入睡眠后这类活动减弱。研究还显示,人们在学习及完成某项任务时,大脑的某个区域活动会增强,在他们之后进入睡眠时,大脑这一部分的慢波活动显得更为强烈。

“突触稳态假说”并没能让所有人都信服,但显然已经赢得了很多关注。目前它成为在睡眠研究领域内最有影响力的理论。

美国加州大学洛杉矶分校的杰瑞·西格尔则坚持另一种截然不同的理论,他认为,睡眠只是为了节省能量的一种适应性机制:在睡眠中我们不能做任何实质性的事情,如寻找食物或养育后代。在西格尔看来,睡眠反映了动物生活方式的多样性,不同的物种为了不同的目的而睡眠。

睡眠是一种复杂的现象,睡眠也可能起着多种多样的作用。英国拉夫堡大学研究睡眠缺失对健康影响的吉姆·霍恩认为。睡眠现象如此复杂,睡眠作用理论分歧如此之大,不足为奇。看来,为了获得睡眠奥秘的终极答案,生物学家们还需要继续牺牲更多的睡眠时间去努力探索。

如何睡眠?

我们为什么需要睡眠?睡眠研究人员至今尚未达成共识。但对于我们如何睡眠,科学家已经有了相当充分的了解。在睡眠期间,大脑会产生一些复杂的变化,其中一些可以通过脑电图仪观察到。通过安置于大脑颅骨上的电极可追踪到大脑的脑电波活动。人们每晚的8小时睡眠不是一个无差别的过程,而是一个分为四个阶段的多周期循环过程。在一个睡眠良好的夜晚,我们通常会重复5~6次这样的循环,每次持续时间大约为90分钟。

每个睡眠阶段都与特定的功能有着某种密切的联系。据认为,第一阶段介于睡眠与清醒之间,持续时间长短因人而异,一般持续5至15分钟,它的主要功能似乎是让我们进入到更深的睡眠阶段。“你可以将它看作是进入睡眠的‘入站口’。” 美国加州卡尔斯巴德先进大脑监测研究中心的克里丝·伯尔卡说道。

过渡到第二阶段时,有时会被一种称为“临睡肌跃症”的现象所中断,这是入睡前生理性的不自主的抽动动作,接下来肌肉开始放松。第二阶段睡眠持续20分钟左右,它起到恢复肌肉疲劳的作用。如果在这个阶段被唤醒,你会感到神清气爽。

睡眠的第三阶段的脑电波活动比较特别,在脑电图中被称为“慢波睡眠”。虽然人们对其原因不是很了解,但可以肯定的是,与某些恢复机制有着密切的联系。例如在这一阶段,松果体分泌生长激素刺激修复骨骼和肌肉组织。这一阶段也是最难被叫醒的阶段,如果你在进入睡眠约45分钟的这一阶段被叫醒,你会感觉头昏眼花、迷迷糊糊、心情烦躁。睡眠第三阶段持续时间的长短,因人而异。

睡眠的第一个循环周期通常大概持续60分钟,在之后的循环周期里持续时间逐渐递减,最终由一个完全不同的被称为快速眼动(REM)的睡眠阶段所取代。大部分梦都产生于这一阶段。

很多人都想通过减少睡眠时间来争取到更多的时间,但睡眠不足往往会让我们付出很多的代价,如,在公路上开车时的警觉性会降低,注意力不容易集中,判断和解决问题的能力会下降。作为应对之策,我们往往利用咖啡等来刺激大脑,以期降低和减少这类影响,这在短时间内可能起到一定的效果,这也许可以解释百分之九十的美国人都在利用咖啡提神,然而,咖啡因的作用在几小时后会渐渐消退,精神不振现象会再次出现。

能压缩睡眠时间吗?

一些人为了每天多点工作学习的时间,宁愿晚上少睡几个小时,但他们有可能会为此付出一些代价,如睡眠不足对身体健康和对工作效率的影响。那么,新技术能让我们在不影响身体健康的情况下实现每天少睡几个小时的吗?

每个人都需要足够的睡眠,如果强制让一个人不睡觉,那是一种非常残忍的惩罚。可以想象一下,如果被哭闹的新生儿吵得一晚上没睡好,或者在通宵达旦的疯狂派对之后,白天你就很难打起精神来。不过即使我们中最爱睡觉的人也必须承认,有时候我们真心希望可以不需要那么多的睡眠时间。如今一些研究人员已经开始在瞄准这个目标,他们想要依靠新的科学技术,而不是药物,来减少晚上的睡眠时间。如果他们可以成功,我们每天就能拥有更多清醒着的时间,从事更多的活动,从理论上来说,减少睡眠时间是人类追求长寿的另一种途径。

20世纪90年代后期,一种叫作莫达非尼的药物神奇而短暂地取代了咖啡因,但这种神奇的药物只是昙花一现。当人们意识到莫达非尼的神奇提神效果只不过相当于多喝几杯咖啡而已,而它高昂的价格,加上需要医生开具处方的麻烦,使得咖啡仍然是人们用来振奋精神、保持清醒的首选。

但任何兴奋剂都无法抵挡睡眠剥夺后身体发出的示警信号。在美国芝加哥大学的一次实验中,连续21天不让睡觉的实验鼠,大部分都相继死去。2013年英国萨里大学的研究人员发现,连续29小时不睡的志愿者,他们的白血球细胞数目急剧飙升,就像身体受伤者的情况一样糟糕。显然,睡眠不足会影响人体的抗感染能力。

影响人们身体健康的不仅仅是这种长期连续的睡眠剥夺,即使是每日工作时间超时导致的轻度睡眠不足,假以时日产生的积累效应也会让我们陷入健康困扰。在对8个国家中历时25年时间、对47万人进行的15项研究进行总结回顾后,英国华威大学的研究人员得出结论认为,“睡眠不足者”——即长期每晚少于5小时睡眠者——心脏病、糖尿病、中风,甚至癌症的风险都会增加。任何用来提神的兴奋剂都无法解决这个问题。

然而随着我们对不同阶段睡眠的进一步理解,也许我们可以采取更有针对性的方法来减少睡眠时间,增加我们清醒时的时间。科学家认为,理想的睡眠时间是每晚8小时,他们的目标是要从6小时睡眠中达到8小时睡眠同样的效果。

睡眠研究人员认为,可以设法去掉睡眠中不太重要的部分,将睡眠时间压缩到只包括关键的部分。2008年的研究认为,这些关键部分包括深度睡眠阶段。例如实验表明,一些强化慢波睡眠的药物可以减少志愿者的因睡眠时间少产生的疲劳等副作用,即使他们每晚只睡5小时。遗憾的是,其中一种药物被发现有高发病率的“精神副作用”而被叫停。

6小时睡眠能成真吗?

幸运的是,我们还有另外的选择。大脑刺激技术也可以达到同样的目的,甚至效果更好。

科学家一直在寻找有效途径,可以帮助官兵们解决在艰苦战斗条件下睡眠不足的问题。在紧张的战斗中,即使是在严重睡眠剥夺的状况下,他们也必须做出即时和果断的决定。士兵们有时不得不在战斗间歇中抓住机会偶尔小睡一两小时,在这种情况下,如何能拥有正常的认知能力和身体功能呢?更不用说还要保持精神抖擞的状态了。研究人员认为,可以尝试让他们在3分钟内直接进入第二阶段睡眠,这样就可以从短时间的小睡中获得养精蓄锐的效果。

如果能用药物以外的办法来解决这个问题,我们所有人最终将受益无穷。为此,专家设计了一种叫作Somneo面罩的设备,它覆盖于脸颊、耳朵和头部的大部分地方,在眼部周围有一个加热元件,可让人迅速入睡。助睡面罩跟踪佩戴者进入第一阶段睡眠,并令佩戴者快速进入第二阶段睡眠,这一过程大概只需两分钟时间。这听起来似乎没什么大不了,但它减少的第一阶段睡眠时间相当于催眠药物的效果。更重要的是,面罩内置的脑电图监测仪可观察佩戴者睡眠阶段的任何变化。编程程序在检测到佩戴者实际睡眠时间达20分钟后,在精确设定的时间里让睡眠者醒来,程序只在检测到佩戴者进入真正睡眠中才会开始计时。脑电图监测仪可确保佩戴者不会在错误的时间里醒来,但它不能操纵脑电波佩戴者帮助进入更深的睡眠阶段。

一种叫作经颅直流电刺激(tDCS)的技术,是以恒定低强度直流电调节大脑皮层神经元活动的安全无创脑电刺激技术。它利用微弱电流刺激大脑背外侧前额叶皮层的一部分区域,引导脑波模拟睡眠周期的特定特性。

德国吕贝克大学的研究人员进行的实验表明,tDCS技术可在志愿者睡眠时转换到相邻的睡眠阶段。首先通过减少短波“轻度”睡眠,增加慢波睡眠,来加深志愿者的睡眠。这种人为诱导的慢波睡眠与正常睡眠无异,更为重要的是,减少短波睡眠似乎不会产生任何不良影响。甚至在接下来的记忆能力测试中,tDCS刺激技术还能明显改善记忆能力——通常是在慢波睡眠中得到强化的记忆。

利用tDCS技术,还可以将睡眠向相反方向转换。在后续研究中,研究人员将睡眠者从慢波睡眠的脑波转变为具有更多第二阶段睡眠特征的轻度睡眠的脑波形式。专家说,未来版本的Somneo面罩可加入tDCS脑波刺激技术,以解决失眠问题。一种叫作经颅磁刺激(TMS)的技术,或许可以做到这一点。

美国威斯康辛大学麦迪逊分校的神经科学家们用TMS来直接触发深度睡眠。作为提高睡眠效率研究实验的一部分,研究人员给15名志愿者佩戴上脑电图头盔,用电极产生电流刺激大脑,在大脑中产生慢波睡眠的部位诱导产生低频脉冲。所有的志愿者在TMS开关打开后,立即就产生了第三阶段睡眠的脑波振荡特性,很快进入睡眠。

TMS疗法也许还不能在短时期内来到我们的卧室床边,因为这种设备目前体积还很庞大,而且对于某些志愿者来说,躺在机器中会让他们产生不安的感觉,从而影响入睡。但实验表明,让睡眠者完全略过第一阶段和第二阶段睡眠,直接进入第三阶段睡眠是可行的。

从理论上来说,这将可以在每一次睡眠循环周期内“掐掉”20分钟的睡眠时间,如果减去这些睡眠时间不会对健康产生任何不利影响的话——这只是一种未经测试的“如果”——那么,我们就可以在对心理健康和生理健康没有不利影响的情况下,获得将8小时睡眠减少到6小时睡眠的益处。

如果6小时睡眠的理想能够得以实现,我们在一年时间里可以平均增加几周时间,这是非常惊人的。这也是为什么一些研究者认为这项技术很可能会在不久的将来得到发展的原因。

睡眠研究与健康长寿之梦

如果该项技术证明安全并得到普及,将成为人类追求长寿的另一种途径。时间就是生命,缩短睡眠时间,意味着延长了人们清醒时间的寿命——前提是如果你能承担得起这种缩短睡眠时间设备的高昂费用的话。如果你活到80岁,你的有效生命时间相当于活到100岁的人,你的人生会更加丰富多彩。

虽然有专家对人类睡眠质量的提升持赞成态度,但他对于是否可以绕过第二阶段睡眠仍有质疑。人们对于第二阶段睡眠的研究显然滞后于对其他睡眠阶段的研究,有研究表明这一睡眠阶段可能参与了对记忆的巩固。

尽管有这方面的疑虑,诱导大脑进入特定的睡眠阶段仍可能带来很多意想不到的好处。例如,研究人员已经发现了睡眠与心理健康和衰老之间的复杂联系。抑郁症患者的睡眠模式与健康者的睡眠模式很不相同。抑郁症患者一般REM睡眠和第一阶段睡眠的时间更多,tDCS设备可以将他们的睡眠模式向更健康睡眠模式的方向推动,从而改善患者的一些相关症状。

还有就是衰老的问题。随着年龄的增长,就像其他身体机能的退化一样,睡眠状态也会日益恶化,入睡更为困难,这可能解释了为什么随着年龄老化,认知能力也日益衰退的原因。但是,究竟是睡眠不好导致记忆能力受损,还是其中的因果关系正好相反呢?或者是另有原因呢?目前没有人能够明确地回答这个问题,但初步研究表明,tDCS技术的应用可帮助老年人在睡眠中多恢复一些保留在大脑里的年轻时的记忆。

如果我们能找某种办法,让人们在年老时,仍然拥有年轻人一样良好的睡眠,是否就能够让人们继续拥有年轻时的思维能力呢?随着睡眠研究给我们带来的更多惊喜,青春不老的梦想已经离我们不远了。

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