睡眠的奥秘：大脑是“关机”了，还是切换了工作模式？
当睡神许普诺斯降临时，人就会昏昏欲睡
黑夜女神倪克斯雕像，柏林佩加蒙博物馆馆藏 [1]
从古至今，人们都试图揭开睡眠的奥秘，
试图了解合上双眼后的身体
究竟发生了什么。
古希腊人对睡眠现象
给出了一个浪漫的解释——
每当黑夜女神倪克斯（nyx）拉下夜幕时，
其子睡神许普诺斯（hypnos）就会
吩咐侍者从冥界到大地上
诱使人类入睡，
而3000个性格各异的
梦神俄尼里伊（onirii）们
则会化身为不同的梦境造访凡人。
我们中国人也借周公姬旦之名
整理了一部《周公解梦》流传至今，
书中列举种种梦境，
并据此预测吉凶。
然而，这些古代民间故事仅止步于
对睡眠现象的记录与臆想，
其中对睡眠机制的解释缺乏客观依据，
且难以被重复验证[1]。
从左到右分别为约翰·戴维、冯·埃科诺莫和汉斯·伯格
直到19世纪，
睡眠研究才开始步入科学的正轨。
1845年，英国医生约翰·戴维（john davy）
开始研究睡眠与体温的关系；
其后，罗马尼亚神经学家
冯·埃科诺莫（von economo）推测
下丘脑是负责调控睡眠-觉醒的重要脑区；
1924年，德国精神科医生
汉斯·伯格（hans berger）首次在头皮上
记录到脑电活动（eeg），
极大地促进了睡眠科学的发展。
近几十年来，睡眠探索又
取得了不少科学发现，
但仍未能揭示睡眠的本质。
时至今日，
睡眠的奥秘依然是一个有趣的谜。
1982年，瑞士科学家
alexander borbély
将睡眠-觉醒调控的主要因素概括为
睡眠稳态和生物节律[2]。
其中，睡眠稳态是睡眠-觉醒周期
最重要的特征，
描述了睡眠-觉醒之间的动态平衡。
通俗地讲，睡眠稳态就是
随着觉醒时间的延长，
我们的睡眠压力（想睡觉的需求）
越来越大；
而随着睡眠时间的延长，
白天积累的睡眠压力
逐渐得到释放。
目前认为，包括腺苷在内的一些代谢分子
和蛋白磷酸化等胞内生化过程
介导了觉醒期间睡眠压力的升高[3]。
近年来，得益于研究手段的革新
（包括分子遗传学技术、
神经细胞分型技术、
以钙成像为代表的光学记录技术、
大规模电生理记录技术、
基于光遗传或化学遗传的
时空特异的神经操控技术等），
我们实现了
对神经活动更精细的观察和操纵，
揭示了大脑内不同脑区中
特定种类神经元在
睡眠-觉醒调控中所起的作用。
上行网状激活系统主要负责觉醒调节[4]
此外，我们还发现
大脑在睡眠中并不是“关机”了，
而是“切换了工作模式”：
在分子层面，
许多与细胞修复相关的基因转录
和蛋白合成在睡眠中都相对活跃，
很可能是在修复一些
觉醒期间积累的损伤[5]；
在细胞层面，
睡眠中突触结构被重塑，
部分突触连接被弱化从而
删除无用信息，保证次日的学习能力[6]；
在环路层面，
睡眠中仍有许多脑区
处于兴奋的状态，
甚至睡眠本身的维持也有赖于
睡眠相关环路的正常工作[7]。
大脑也需要定时地“洗澡”，图片来自michael morgenstern
此外，大脑的“夜班工作内容”还包括
脑脊液流动以清除大脑代谢废物[8]，
脑垂体前叶分泌生长激素[9]，
海马神经元再现觉醒期活动
以巩固记忆[10]等。
不可否认的是，
睡眠领域内仍存在着
一些悬而未解的经典疑问，
睡眠前沿的科研进展也
引发了许多新的深层思考。
我们为什么需要睡眠？
睡眠的主要功能是什么？
睡眠-觉醒周期又是如何被调控的？
我们为什么会做梦？梦的功能又是什么？
目前，我们对这些睡眠科学
最基本的问题还没有明确的答案。
在众多未解的睡眠奥秘中，
一个重要的问题是
睡眠的终极功能是什么？
睡眠是动物界普遍存在的一种行为，
低等如水母，高等如人类，
只要是活的动物，
就有睡眠或者类似睡眠现象的存在。
这种演化上的保守性
也从侧面反映了睡眠行为的重要性。
芝加哥大学的睡眠生物学家
allan rechtschaffen教授曾经说过：
“如果睡眠行为
没有至关重要的功能，
那它将是生物演化史上
最严重的一个错误”。
试想一下，如果睡眠行为无益无功，
我们岂不是白白浪费了
三分之一的人生？
遗憾的是，我们现在仍不清楚
睡眠行为的核心作用和目的。
睡眠是动物界普遍存在的一种行为[11]
另一方面，睡眠障碍是
一类越来越常见的疾病，
给社会带来了沉重的负担。
据统计，大约有20%的车祸
直接或间接地与睡眠障碍相关，
在美国每年由此带来的经济损失
超过1000亿美元[12]。
睡眠障碍包括60余种
影响睡眠质量、睡眠节律
或睡眠时长的疾病，
并可能影响患者白天的工作和生活。
依照现行的
《国际睡眠障碍分类》（icsd-3），
睡眠障碍主要分为
昼夜节律睡眠-觉醒障碍、
失眠、中枢性睡眠增多、
睡眠相关呼吸障碍、
异态睡眠、睡眠相关运动障碍等[13]。
此外，阿尔茨海默症等神经系统相关疾病
也可能影响患者原本正常的睡眠。
目前我们对于大多数睡眠障碍
并没有特效疗法，
一个主要的原因就是我们
对大脑调控睡眠-觉醒机制的
理解还不够透彻。
从这个角度上讲，
研究“睡眠-觉醒是如何被调控的”这一问题
也具有重要的临床意义和社会价值。
当我们对大脑调控
睡眠-觉醒的机制
有足够深入的理解之后，
我们或许可以对
未来的睡眠控制有所期待。
一方面，通过对睡眠行为的深入理解，
我们可以为临床上大量
睡眠相关疾病的治疗
提供一些理论基础和参考思路。
我们或许能够让失眠患者
得到更加安全有效的治疗，
让发作性睡病患者在白天
能够正常工作生活，
甚至有望让创伤后应激障碍（ptsd）的患者
自定义梦境以摆脱梦魇困扰。
另一方面，虽然我们不太可能
做到完全不用睡觉，
但是我们或许可以
提高睡眠的效率和质量，
缩短每日所需的睡眠时间。
此外，我们或许还可以实现
更加灵活的睡眠时间管理。
例如，出于工作、旅行或其他需要，
我们有时会前移或推迟睡眠时间。
目前常用的方法包括褪黑素促眠
和咖啡因提神等，
但效果有时不尽如人意
且往往伴有副作用。
当我们对大脑调控睡眠-觉醒的机制
有足够深入的理解之后，
未来睡眠管理的效率将大幅度提高，
我们还可能在条件允许时预存或补充睡眠，
相关的副作用也会大大减少。
睡眠绝不只是
科学家或医生应该关心的事。
人人享有睡眠，
也有权利和责任去了解、维护自己的睡眠。
目前许多可穿戴设备及手机应用
已经可以帮助我们更好地记录睡眠，
提示可能存在的睡眠障碍。
但如何预防睡眠相关疾病、
发现睡眠问题后又如何改善、
如何与医生合作治疗等，
都需要利用科学的睡眠知识。
卢梭笔下的《睡着的吉普赛女人》
据统计，我国有近40%的人
曾遭受失眠的困扰[14]。
这其中很大一部分人可能不是
因为患有顽固的慢性失眠，
而是因为缺乏科学睡眠的基本知识，
或者缺乏学习科学睡眠知识的途径。
尤其值得注意的是，
目前关于睡眠的科普信息真伪难辨，
鱼龙混杂，缺乏可信的来源。
以上也是我们作为睡眠基础研究工作者
积极参与睡眠科普的原因。
我们计划普及科学睡眠知识，
分享睡眠研究进展。
一方面，我们希望能够通过
经科研或临床专业人士审核的科普内容，
倡导健康的生活方式，
帮助大家提高日常睡眠质量。
另一方面，也希望通过对领域进展的梳理，
让睡眠科研工作者及临床医生
对前沿研究有更多的思考，
更好地启发后续工作。
注：本文转载自中科院神经科学研究所研究员徐敏的公众号“睡眠奥秘”，经作者授权转发，略有改动。
参考文献：
