大脑为什么需要睡眠

睡眠的主要功能是让大脑休息和帮助我们记忆。

首先&＃xff0c;很显然&＃xff0c;睡眠能帮助我们节约能量。

从进化的角度上来说&＃xff0c;睡眠最开始可能只有一个简单的功能&＃xff0c;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&＃xff0c;伴随着科技的进步&＃xff0c;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&＃xff0c;睡眠不是具备大脑袋和复杂记忆的脊椎动物所独有的&＃xff0c;几乎所有的动物都是需要睡觉的&＃xff08;图1&＃xff09;。简单如细菌也有着昼夜节律。因此&＃xff0c;在睡眠的好处中&＃xff0c;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&＃xff0c;捕食者和睡觉时相对安全的动物的睡眠时间较长&＃xff1b;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&＃xff0c;更易捕捉猎物&＃xff0c;而且不容易被天敌发现。睡眠时&＃xff0c;哺乳动物体温会下降1-2摄氏度&＃xff0c;肌肉活动和脑力活动会大量减少&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;动物们会通过延长睡眠时间&＃xff08;甚至开始冬眠&＃xff09;来保存能量。

随着进化的推进&＃xff0c;某些物种摆脱了温饱线的束缚&＃xff0c;不再对终日为了填饱肚子而奔波&＃xff0c;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&＃xff0c;仅相当于一个热狗面包。那是不是说&＃xff0c;我们每天只要多吃一个热狗面包&＃xff0c;就可以不用睡觉了&＃xff1f;很显然&＃xff0c;答案是否定的。这说明&＃xff0c;除了帮助节约能量之外&＃xff0c;睡眠对人类还有更重要的意义。

其次&＃xff0c;睡眠能帮助我们修复身体和大脑。

为什么如果睡眠被剥夺&＃xff0c;我们的身心都会感到非常难受&＃xff1f;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&＃xff0c;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&＃xff0c;睡眠也有利于大脑清除代谢废物&＃xff0c;让大脑更高效的运转&＃xff08;图2&＃xff09;。睡眠不足往往能给我们的身体和大脑带来多方面的危害&＃xff08;图3&＃xff09;。

图2. 小鼠大脑中的细胞外&＃xff08;间质&＃xff09;空间是脑脊液流动的通道&＃xff0c;会从清醒时的14&＃xff05;增加到睡眠时的23&＃xff05;&＃xff0c;这允许大脑可以更快地清除代谢废物和毒素[2]。

研究表明&＃xff0c;在睡眠中&＃xff0c;抑制性神经递质GABA的释放通常是增加的&＃xff0c;如果睡眠被剥夺的话&＃xff0c;GABA会积聚在神经元中[3]&＃xff0c;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&＃xff0c;会因此忽视很多重要刺激&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;冬天睡眠也会很糟糕&＃xff0c;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&＃xff0c;人们会报告头晕、震颤&＃xff0c;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。&＃xff08;图片来自网络&＃xff09;

然而&＃xff0c;个体对睡眠的需求存在差异。我们周围有不少“夜猫子”&＃xff0c;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&＃xff0c;腺苷能在觉醒时不断积聚&＃xff0c;并引发睡意&＃xff0c;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&＃xff0c;睡眠能帮助我们巩固记忆。

记忆的类型有很多&＃xff0c;既包括陈述性记忆&＃xff0c;也包括非陈述性记忆&＃xff08;详见前文&＃xff1a;记忆的分类及其理论模型&＃xff09;。可以说&＃xff0c;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&＃xff0c;如果让人先学习一些东西&＃xff0c;然后马上去睡觉&＃xff0c;或者只是打个盹&＃xff0c;他们的记忆通常都会得到提高[6]。因此给学生们的建议是&＃xff1a;要在充分休息好的状态下学习&＃xff0c;睡前再做一些复习。

那么睡眠是如何促进记忆的呢&＃xff1f;研究表明&＃xff0c;学习时的大脑活动模式会在睡眠期间“重放”&＃xff08;replaying&＃xff09;一遍&＃xff0c;只不过速度更快一些&＃xff08;图4&＃xff09;。并且&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;对照组则在没有香味的环境中做任务。晚上睡觉的时候&＃xff0c;研究人员向实验组被试呈现了玫瑰香味。结果&＃xff0c;那些在记忆任务和睡眠中都问道玫瑰香味的人&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;并且在学习后的睡眠中也会再次被一起激活。图中显示&＃xff0c;在学习后的睡眠中&＃xff0c;神经元与神经元之间&＃xff08;神经元对&＃xff09;的交互相关性&＃xff08;cross-correlation&＃xff09;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。&＃xff08;详细分析请见之前回答&＃xff1a;睡眠可以帮助大脑整理白天学过的知识吗&＃xff1f;&＃xff09;

睡眠促进记忆还可能与睡眠期间的纺锤波&＃xff08;慢波振荡&＃xff09;有关。纺锤波是一种频率为12-14Hz的脑电波&＃xff0c;主要出现在第二阶段睡眠中&＃xff0c;代表了丘脑&＃xff08;脑内信息的中转站&＃xff09;与大脑皮层&＃xff08;存储记忆的部位&＃xff09;间的信息交换。在学习任务之后&＃xff0c;老鼠和人类的睡眠纺锤波的数量都会增加[9]。并且&＃xff0c;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&＃xff0c;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]。&＃xff08;详见之前回答&＃xff1a;睡眠可以帮助大脑整理白天学过的知识吗&＃xff1f;&＃xff09;

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&＃xff08;脑细胞与脑细胞之间的连接&＃xff09;&＃xff0c;进而促进记忆&＃xff0c;这就是所谓的长时程增强现象&＃xff08;Long-term
potentiation&＃xff0c;LTP&＃xff09;。但是&＃xff0c;随着年龄的增加&＃xff0c;我们大脑中的突触连接会越来越多&＃xff0c;而大脑的容量却不会增加。如果任由突触连接不断增长&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;在睡眠中削弱不重要的突触连接&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;物种遇到新的机遇和挑战&＃xff0c;“大脑”不断演化&＃xff0c;睡眠也不断被赋予新的使命。对于人类而言&＃xff0c;通过睡眠来保存能量可能已经不是那么必要了&＃xff0c;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&＃xff0c;随着科技的进步&＃xff0c;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&＃xff0c;我们还需要睡眠吗&＃xff1f;

一个小问题&＃xff1a;未来的人类&＃xff0c;是不是只要吃一个热狗面包、插入一张记忆芯片&＃xff0c;然后就可以不用睡觉了呢&＃xff1f;

参考文献&＃xff1a;

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.