導(dǎo)語/ Introduction

千百年來技術(shù)迭代不斷，人類對(duì)睡眠的作用和認(rèn)知也在逐漸完善，但這一廣泛存在的現(xiàn)象仍纏繞著無盡的謎團(tuán)。最近，發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的專欄文章，對(duì)睡眠的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)分析，為公眾解讀了睡眠背后的奧秘。

我們?yōu)楹我?/p>

在外接或內(nèi)置電極的幫助下可以對(duì)睡眠進(jìn)行監(jiān)測和分段，脊椎動(dòng)物的睡眠通常被分為非快速動(dòng)眼期睡眠（NREM）及快速動(dòng)眼期睡眠（REM）。作為一項(xiàng)需要花一生近1/3的長度去重復(fù)完成的任務(wù)，睡眠注定發(fā)揮著一些關(guān)鍵作用，對(duì)睡眠的需求可能起源于細(xì)胞水平，長期保持清醒后神經(jīng)元表現(xiàn)出了疲勞的特征，但并不是大腦的全部區(qū)域都需要“睡眠”，自呱呱墜地時(shí)起，控制呼吸的環(huán)路便不眠不休，直至生命燃燒的盡頭。

人類為何要睡眠的根本原因和機(jī)制，至今仍是神經(jīng)科學(xué)上莫衷一是的問題。睡眠的短期剝奪會(huì)影響認(rèn)知能力和情緒，長期缺乏睡眠者甚至有著顯著高的癡呆的發(fā)生率，這也意味著長期的睡眠缺乏可能和大腦發(fā)生病理學(xué)改變相關(guān)。但僅把睡眠剝奪后帶來的不利影響作為睡眠的理由并不算充分，更有可能的一種理論是，睡眠可以為機(jī)體提供健康大腦/軀體必須的結(jié)構(gòu)或代謝過程。

睡眠期間惡化的腦功能得以恢復(fù)，睡眠剝奪后的恢復(fù)則需要更長的時(shí)間

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Science

睡眠后必要的修復(fù)和清理機(jī)制可以幫助大腦在一天的忙碌之后“清理冗余”，進(jìn)而保障第二天大腦的正常代謝和功能發(fā)揮，這一點(diǎn)也許可以由睡眠期間需要暫時(shí)性失去意識(shí)來解釋。“淋巴假說”機(jī)制認(rèn)為NREM睡眠期間可以加速淋巴流動(dòng)進(jìn)而帶出多余的代謝產(chǎn)物，突觸重塑、NREM睡眠期間降低的腦部溫度進(jìn)而幫助腦修復(fù)、NREM和REM時(shí)期的電流振蕩平衡神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等假說也有待進(jìn)一步探索。

穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)入睡

睡眠剝奪會(huì)增加人和許多物種想要補(bǔ)覺的渴望，和饑渴時(shí)對(duì)食物、水的需求類似，且需要花費(fèi)更長的時(shí)間來彌補(bǔ)所失去的睡眠，這可能也說明了睡眠過程中存在著必要性的合成、代謝等修復(fù)過程。睡眠剝奪后腦電圖上的delta波波幅會(huì)顯著增高，并快速反彈，這可能是允許腦降溫等后續(xù)修復(fù)機(jī)制的標(biāo)志。

睡眠剝奪后，鼠腦delta波的振蕩與快速反彈，丟失睡眠的恢復(fù)要花更長時(shí)間

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Science

但腦中具體的追蹤清醒時(shí)間和控制睡眠欲望的生化過程目前仍不清楚。有學(xué)者認(rèn)為睡眠-清醒周期的轉(zhuǎn)換可能涉及腦中特定區(qū)域某種物質(zhì)濃度的升高、降低，但目前提出的假說如腺苷、IL-1?、TNF-?等都不能針對(duì)所有情況給出圓滿的解釋。外周肌肉等組織是否是睡眠驅(qū)動(dòng)的輔助因素目前也不能排除。

鎮(zhèn)靜藥物能否提供

自然睡眠的修復(fù)作用？

NREM期睡眠的功能磁共振檢查結(jié)果和右美托咪定/丙泊酚麻醉后的表現(xiàn)相似，這是由于鎮(zhèn)靜劑和麻醉劑均作用于外側(cè)韁核、腹側(cè)被蓋區(qū)、下丘腦等睡眠-覺醒環(huán)路的組成部分，但REM期睡眠的表現(xiàn)目前還沒有藥物可以模擬。同樣是作用于睡眠環(huán)路，鎮(zhèn)靜/麻醉和睡眠的表現(xiàn)卻存在很大區(qū)別。和一覺醒來的清新舒適感相反，麻醉后的復(fù)蘇大多伴隨著不那么愉快的體驗(yàn)。

睡眠環(huán)路的分布，鎮(zhèn)靜麻醉藥物和深度NREM的功能磁共振表現(xiàn)有一定相似性

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Science

鎮(zhèn)靜/麻醉藥物能否提供修復(fù)作用目前尚不得而知，腦電圖也只能提供此方面極為有限的信息，且容易受到混雜因素的干擾。手術(shù)等因素造成的創(chuàng)傷可能掩蓋修復(fù)作用的表現(xiàn)，更何況正常睡眠的修復(fù)作用也有待細(xì)化，定量測量目前還是空談。但根據(jù)鎮(zhèn)靜無法模擬正常的NREM-REM睡眠周期可以推測，現(xiàn)今的藥物還不能模擬自然睡眠。腹側(cè)被蓋區(qū)的GABA能神經(jīng)元可以起到促進(jìn)睡眠穩(wěn)態(tài)的作用，在未來能作為可提供修復(fù)作用的鎮(zhèn)靜劑的潛在靶點(diǎn)。

睡眠對(duì)記憶的促進(jìn)

睡眠對(duì)大腦認(rèn)知尤為重要，特別是對(duì)記憶。白日里，信息流持續(xù)輸入，睡眠則為大腦提供了一個(gè)沒有大量外界信息負(fù)擔(dān)的時(shí)間窗，進(jìn)而有助于大腦對(duì)于新編碼的記憶進(jìn)行分類整理、強(qiáng)化。這一過程可以幫助產(chǎn)生長久留存的記憶痕跡，并供大腦在清醒時(shí)回憶相關(guān)信息。睡眠期間，無數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參與到了記憶的處理，他們的活動(dòng)也產(chǎn)生了振蕩（例如：theta節(jié)律）、波形可識(shí)別的瞬態(tài)電位（例如：齒狀尖峰）和尖峰活動(dòng)模式（例如：上升和下降狀態(tài)）等神經(jīng)電位模式，進(jìn)而被顱內(nèi)外的電極捕獲分析。

已有研究證實(shí)，在NREM期間，海馬和皮質(zhì)模式的相互協(xié)調(diào)可以幫助記憶的鞏固。閉環(huán)實(shí)驗(yàn)范式的開發(fā)也讓實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)正在進(jìn)行的大腦模式成為了可能。通過對(duì)記錄到的腦信號(hào)進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)檢測睡眠的模式，當(dāng)檢測到特定的模式后，自動(dòng)實(shí)時(shí)觸發(fā)有創(chuàng)或無創(chuàng)的影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，進(jìn)而檢驗(yàn)這些操作是否互促進(jìn)或損害記憶的鞏固。記憶的效果則在改良睡眠周期結(jié)束后通過回憶任務(wù)來評(píng)估。

閉環(huán)實(shí)驗(yàn)范式的說明

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Science

根據(jù)突觸穩(wěn)態(tài)假說，睡眠在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用，它通過降低突觸的權(quán)重來避免飽和，并允許在隨后的覺醒期中形成新的記憶。在清醒時(shí)的學(xué)習(xí)階段，大腦將新信息編碼到海馬的細(xì)胞集合中，突觸間的連接不斷加強(qiáng)，整體放電速率也在逐漸升高。到了睡眠階段，NREM、REM期睡眠序貫發(fā)生，包括皮質(zhì)慢振蕩和REM期睡眠theta振蕩的穩(wěn)態(tài)過程和降低的整體放電率及全局突觸強(qiáng)度結(jié)合在一起。在睡眠期間，細(xì)胞集合間的特定關(guān)聯(lián)也得到了選擇性的鞏固。

海馬體中的神經(jīng)元

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Dr. Curtis Cripe NTL Group

睡眠期間神經(jīng)活動(dòng)和體液流動(dòng)的交互

睡眠也是腦代謝廢物排出的重要階段，清醒時(shí)tau蛋白和淀粉樣蛋白等代謝產(chǎn)物會(huì)逐漸累積，睡眠期間這些物質(zhì)的產(chǎn)生速率可能降低甚至?xí)和?，為機(jī)體提供了清除的時(shí)機(jī)。既往研究也發(fā)現(xiàn)，小鼠腦中的?-淀粉樣蛋白在睡眠期間會(huì)迎來清除的高峰，人類睡眠剝奪后，腦中的?-淀粉樣蛋白含量上升。

睡眠期間大腦如何實(shí)現(xiàn)較高的廢物清除率？睡眠中細(xì)胞外容積的上升進(jìn)而增加的分子運(yùn)輸速率可能是促進(jìn)因素之一。睡眠期間的體液流動(dòng)模式改變也是可能的機(jī)制。NREM睡眠階段腦脊液的流動(dòng)波更為明顯，而這一流動(dòng)是被低頻率的神經(jīng)活動(dòng)所驅(qū)動(dòng)，神經(jīng)活動(dòng)可以調(diào)節(jié)血液容積，進(jìn)而加速腦脊液的流動(dòng)和更新。

但腦脊液的流動(dòng)和組織中溶質(zhì)的更新及腦健康之間更詳盡的關(guān)系、不同睡眠階段對(duì)腦體液流動(dòng)的貢獻(xiàn)如何仍有待未來研究進(jìn)一步闡明。神經(jīng)活動(dòng)促進(jìn)的腦脊液的流動(dòng)是否會(huì)形成雙向的促進(jìn)睡眠和神經(jīng)活動(dòng)的閉環(huán)，也是有趣的研究話題。睡眠不足或欠佳和代謝廢物的清除減少或生成增加的惡性循環(huán)也值得我們警惕。

睡眠中耦合神經(jīng)、血管和腦脊液動(dòng)力學(xué)的不同時(shí)間尺度

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Science

除了前文提及的睡眠的新知，還有更多的功能依然有待人類發(fā)掘明確。睡眠仿佛兢兢業(yè)業(yè)的勞模，在萬籟俱寂的黑夜里歸檔新的見聞和記憶，打掃著靈感火花閃耀后的灰燼，清潔好嬌貴的神經(jīng)元，為即將到來的白日做好萬全的準(zhǔn)備工作。即便人類偶爾跳過，后續(xù)的睡眠也會(huì)想辦法把不良的影響盡可能彌補(bǔ)消除。但勞模的能力也是有限的，現(xiàn)代社會(huì)的不良睡眠習(xí)慣給大腦帶來的巨大挑戰(zhàn)，可能超出睡眠期間的修復(fù)能力，進(jìn)而對(duì)認(rèn)知功能、腦健康等造成不可逆的損傷。

睡眠的重要性值得我們每一個(gè)人的關(guān)注和重視，7個(gè)小時(shí)的安睡保障的不只是次日的精力，也更是為了長遠(yuǎn)著想。健康睡眠的不同維度、工作和睡眠如何平衡、睡眠政策的成本獲益分析等也是社會(huì)、政府應(yīng)該關(guān)注的重要的健康政策話題。正如《科學(xué)》雜志的高級(jí)編輯彼得斯特恩（Peter Stern）所說：“我們?nèi)匀徊恢牢覀優(yōu)楹我X，但現(xiàn)在是時(shí)候重視睡眠，如莎士比亞所說——享受這生命筵席上的滋補(bǔ)品。”

參考文獻(xiàn)

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作者：小土豆|編輯：Jiahui，EY

封面：Ximena Arias| 排版：光影

原文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“nextquestion ”：

https://mp.weixin.qq.com/s/SGZ8Ly4L0kQNGtq1w4P_Qg

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網(wǎng)址: 《科學(xué)》特刊解讀：被低估的睡眠，對(duì)大腦做了什么？ http://m.u1s5d6.cn/newsview267440.html