“我真的需要睡觉吗？”
当我在世界各地谈论睡眠时，我一遍又一遍地被问到这个问题。答案一直很明确——是的，每个人都需要睡觉。就像饥饿、口渴和性欲一样，睡眠的冲动是一种生理驱动。然而，究竟是什么让我们将生命的三分之一时间用于无意识状态，长期以来一直困扰着科学家。
在承认我们缺乏答案时，世界顶级的睡眠研究人员之一艾伦·雷希沙芬在 1978 年说：“如果睡眠没有绝对重要的功能，那么它就是进化过程有史以来犯下的最大错误”（重点是我加的）。在 20 世纪 90 年代，另一位著名的睡眠研究人员 J. 艾伦·霍布森打趣说，睡眠唯一已知的功能是治愈睡意。
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过去 20 年的研究终于开始为我们为什么必须睡觉提供至少部分的解释。最明确的发现是，睡眠不仅仅服务于单一目的。相反，它似乎是多种生物过程最佳运作所必需的——从免疫系统的内部运作到适当的激素平衡，再到情绪和精神健康，再到学习和记忆，再到清除大脑中的毒素。与此同时，在缺乏睡眠的情况下，这些功能都不会完全失效。总的来说，睡眠似乎增强了这些系统的性能，而不是绝对必要。然而，任何几个月不睡觉的人都会死亡。
即使是这种不完善的理解也花费了数十年的时间才发展起来。到 20 世纪末，研究人员已经用对脑电波活动、呼吸模式以及血液中激素和其他分子数量的每日振荡的详细测量，取代了关于睡眠的古老观念——睡眠是由血液从皮肤表面退去或胃中积聚的温热蒸汽引起的。最近，研究人员已经开始确定睡眠的哪些方面对于其每项益处至关重要。然而，具有讽刺意味的是，研究人员对良好睡眠对于身心正常运作的绝对必要性了解得越多，21 世纪的公民花在梦神墨菲斯舒缓的怀抱中的时间就越少。
致命性失眠症
我们绝对需要睡眠的最明确证据来自卡罗尔·埃弗森在 1989 年发表的一项研究，该研究基于她在芝加哥大学雷希沙芬实验室工作期间所做的工作。现在在威斯康星医学院的埃弗森发现，完全剥夺睡眠的老鼠都在一个月内死亡。实际上，她要实现这种致命结果所要做的就是阻止动物进入以快速眼动 (REM) 为特征的睡眠阶段。但四分之一个世纪后，研究人员仍然无法解释为什么老鼠会死亡。此后几年进行的一系列实验仅用于消除可能的原因；例如，它不是由压力增加、能量消耗过度或身体内部热调节器或免疫系统失效引起的。
因睡眠剥夺而死亡并非老鼠独有。致命性家族性失眠症，大约在 30 年前首次被描述，顾名思义，是一种遗传性人类疾病，首先导致持续性失眠，然后导致死亡。一个由已故埃利奥·卢加雷西和罗塞拉·梅多里领导的意大利研究小组，当时在博洛尼亚大学医学院，于 1986 年报告了该疾病。该小组讲述了一位 53 岁男子的故事，他在患上顽固性失眠症后的几个月内去世，他的许多亲属在两代人中也曾如此。对他的大脑进行的尸检分析显示，丘脑的两个区域神经细胞大量丧失，丘脑是一个核桃大小的结构，位于中脑中，通常充当传入感觉输入的转运站。然而，这两个特定的区域更出名的是它们在调节情绪记忆和产生所谓的睡眠纺锤波（在睡眠大脑的脑电图中发现的关键波形模式）中的作用。
丘脑的这种恶化如何导致失眠或死亡尚不清楚。但现在已经知道造成损害的直接原因。在 20 世纪 90 年代初期，当时在凯斯西储大学的梅多里和她的同事确定，一种称为朊病毒的畸形蛋白质是造成破坏的原因。已知朊病毒还会导致绵羊瘙痒症和人类牛海绵状脑病（“疯牛病”）——尽管在致命性家族性失眠症的情况下，朊病毒是从一代遗传到下一代的，而不是像其他两种疾病那样从环境中摄入的。
幸运的是，没有其他关于人类因睡眠剥夺而死亡的报告（除了例如，疲劳驾驶的司机在开车时睡着的意外死亡）。但也没有其他关于人们几个月不睡觉的报告。因此，我们只剩下两个长期和完全睡眠剥夺导致死亡的例子——实验诱导的老鼠睡眠剥夺和人类的遗传性朊病毒疾病——并且我们不了解这两种情况下死亡的确切原因。
抗体和激素
与此同时，我们确实知道，即使只损失一个晚上的完全或部分睡眠也会干扰各种身体功能，例如激素活动和预防感染。两项研究观察了身体对乙型肝炎疫苗免疫接种的反应，显示了睡眠剥夺对免疫系统的影响有多么显著。在 2003 年的第一个实验中，一小群大学生在早上接种了标准的甲型肝炎疫苗，该疫苗由灭活病毒组成，之后研究人员允许他们中的一半正常睡眠；另一半则整夜保持清醒。
剥夺睡眠的受试者直到第二天晚上才被允许睡觉。四周后，研究人员从学生身上采集了血液样本，并测量了他们的免疫系统为响应疫苗中的病毒而产生的保护性抗体的数量。抗体水平越高，表明对疫苗的反应越好，因此可能对未来感染致病性病毒版本的保护作用也更大。四周后，睡眠正常的组的抗体水平比睡眠剥夺组高 97%。
不到一个整夜的睡眠也会产生负面影响。在第二项研究中，成年人在六个月内接受了标准的三剂乙型肝炎疫苗。（需要重复接种疫苗以建立充分的免疫保护。）研究人员给每位参与者一个类似于手表的运动探测器，该探测器监测他们在家的睡眠情况。通过比较受试者在第一次注射疫苗当周的平均睡眠时间和他们在第二次注射疫苗后显示的抗体保护水平，研究人员确定，每增加一小时的睡眠，抗体水平就会增加 56%。在最后一次疫苗接种六个月后，在第一次疫苗接种当周平均每晚睡眠时间少于六小时的人，血液中抗体含量如此之低，以至于他们被认为无法抵抗未来感染乙型肝炎病毒的可能性高出七倍。
即使是睡眠障碍的健康儿童也表现出免疫缺陷。2017 年，中国山东大学的张子和及其同事检查了 50 名患有阻塞性睡眠呼吸暂停儿童的免疫状况。基于他们血液中 T 淋巴细胞和其他免疫相关指标浓度的变化，研究人员得出结论，睡眠呼吸暂停导致这些儿童的免疫功能受损。
卡琳·施皮格尔进行的一系列研究为激素功能受损提供了令人印象深刻的证据，她当时在芝加哥大学与伊芙·范·考特合作。在其中一项实验中，研究人员允许 11 名健康的年轻男性每晚只睡四个小时。在限制睡眠五晚后，男性从血液中清除葡萄糖的能力（胰岛素控制的过程）降低了 40%。在另一项研究中，施皮格尔和她的同事同样限制了 12 名男性两个晚上的睡眠时间。科学家们测量了志愿者血液中发现的食欲刺激素生长素释放肽的含量，发现它跃升了 28%。与此同时，另一种称为瘦素的激素含量下降了 18%；瘦素通过向大脑发出无需进食的信号来抑制饥饿感。毫不奇怪，睡眠不足的男性报告说他们的饥饿水平平均增加了 23%。
图片来源：布莱恩·克里斯蒂设计
总的来说，这些人体生理学研究表明，睡眠减少可能导致体重增加——这一假设现在至少得到其他 50 项研究的支持。在几项调查中，6 至 9 岁的儿童睡眠时间少于 10 小时，肥胖的可能性高出 1.5 至 2.5 倍，对成人的研究表明，睡眠时间少于 6 小时的参与者肥胖的几率增加了 50%。研究还表明，睡眠限制与 2 型糖尿病的发生之间存在关联。
负面情绪炸弹
尽管睡眠限制对免疫和激素功能有显著影响，但其最大的影响可能发生在大脑中。在 2006 年我与马修·P·沃克（现任加州大学伯克利分校）进行的一项研究中，我们研究了单晚睡眠剥夺如何影响人们形成的 эмоциональные 记忆。26 名受试者（其中一半在前一天晚上被剥夺了睡眠）被展示了积极、消极和中性的词语（例如，“平静”、“悲伤”或“柳树”），并被要求评估它们的情感性。然后，在经过两个晚上的恢复性睡眠后，他们接受了一次突击记忆测试。
与正常睡眠的受试者相比，那些在第一次看到单词之前被剥夺了睡眠的受试者，他们识别单词的能力下降了 40%。但更引人注目的是睡眠剥夺对三类单词的相对影响。当受试者被剥夺睡眠时，他们对积极和中性词语的识别能力都下降了 50%。然而，他们识别带有负面含义的词语的能力仅下降了 20%。相比之下，正常睡眠后形成的对积极和消极词语的记忆几乎没有差异，中性词语不如积极或消极词语容易记住。换句话说，在研究志愿者被迫减少睡眠后，负面词语的记忆似乎至少是积极或中性词语的两倍强。
这个结果暗示了一个相当可怕的可能性，即当您睡眠不足时，您实际上形成的关于生活中负面事件的记忆是关于正面事件的记忆的两倍，从而对您的一天产生有偏见且可能令人沮丧的记忆。事实上，过去 25 年的几项研究现在已经得出结论，不良睡眠在某些情况下可能导致抑郁症，其严重程度足以被诊断为重度抑郁症，并且可能还会导致其他精神疾病。
近年来，关于与抑郁症的因果关系的证据越来越多，并且很大程度上来自对睡眠呼吸暂停的研究，睡眠呼吸暂停是一种在睡眠期间流入肺部的气流中断的疾病。它可能导致打鼾、喘气和其他呼吸中断。每次患有睡眠呼吸暂停的人短暂停止呼吸时，他们都会短暂醒来以重新开始呼吸。因此，严重的呼吸暂停患者可能整夜每隔一两分钟醒来一次。美国疾病控制与预防中心在 2012 年进行的一项研究发现，与睡眠较好的人相比，被诊断患有睡眠呼吸暂停的男性和女性分别患重度抑郁症的可能性高出 2.4 倍和 5.2 倍。
当然，发现这两种情况之间存在关联与证明一种情况导致另一种情况是不同的。但最近对 19 项研究的分析发现，使用所谓的 CPAP 设备（持续气道正压通气）治疗睡眠呼吸暂停可以恢复正常呼吸和睡眠，从而显著减轻抑郁症症状。事实上，其中一项研究（巧合的是，该研究在开始时纳入了更高比例的抑郁症患者）发现，CPAP 使用者的抑郁症症状减少了 26%。
这些结果仍然不能最终证明睡眠不安会导致抑郁症，CPAP 治疗的效果也没有与抗抑郁药物的效果进行比较。尽管如此，这些暗示性的发现值得进一步调查。同样，2007 年的一项研究发现，治疗患有呼吸暂停且同时患有注意力缺陷/多动症的儿童，导致多动症症状评分降低了 36%——这比典型 ADHD 药物实现的 24% 的降低幅度要大得多。
未来的记忆
尽管研究人员仍然不知道睡眠及其缺乏如何影响精神健康的生理机制，但他们怀疑睡眠在帮助大脑将人们的日常经历转化为记忆中所起的作用与此有很大关系。过去二十年来，涌现出大量发现，表明睡眠参与了每个人的记忆处理——无论他们的情绪状态如何。其中一些发现包括：学习后的睡眠会导致新记忆的选择性稳定、加强、整合和分析。这样做，它可以控制我们记住什么以及我们如何记住它。
在 19 世纪末和 20 世纪初，科学家们认为记忆是脆弱的，直到它们经历了一个所谓的巩固过程，该过程将它们转变为可以持续一生的稳定形式。最近的研究表明，即使在大脑记录和巩固记忆后，记忆仍然保留着改变的能力。事实上，记忆的重新激活可以使其在首次形成后很久仍恢复到不稳定状态，需要重新巩固；当处于这种不稳定形式时，它可以被改变或完全丢失。这一发现既是诅咒也是祝福——诅咒是因为最初准确的信息可能会被破坏，祝福是因为不准确的信息可以被纠正。因此，研究人员已经开始谈论记忆演变而不是记忆巩固，尤其是在讨论依赖睡眠的记忆处理时。
对睡眠和记忆的现代研究时代始于 20 多年前，当时以色列的艾维·卡尼和他的同事证明，接受视觉辨别任务训练的受试者实际上在一个晚上的睡眠后有所提高，但前提是他们被允许进入 REM 睡眠。（顺便说一句，大多数梦都发生在 REM 睡眠期间。）他们的实验表明，睡眠不仅仅是稳定记忆，防止它们随着时间的推移而恶化；它实际上可以改善它们。
2000 年，沃克走进我的办公室，挥舞着一篇期刊文章并预测说：“这篇也是依赖睡眠的！”该论文描述了一项任务，受试者在其中学习敲击特定的手指动作顺序，即使没有额外的练习，随着时间的推移，他们也更容易做到这一点。尽管如此，作者尚未研究睡眠可能如何促进这种改善。在两周内，沃克就有了答案。他发现睡眠确实改善了他们的表现，后来他确定这种益处取决于体验非快速眼动睡眠的浅睡眠阶段，而不是像卡尼视觉实验中那样的快速眼动睡眠。不可避免的结论是：大脑会在不同的睡眠阶段加强不同类型的记忆。
进一步的研究表明，并非所有记忆都会经历这种依赖睡眠的稳定化。2008 年，现任圣母大学的杰西卡·佩恩进行了一项研究，她在研究中向志愿者展示了各种带有厌恶物体的场景——例如，路中间的一只死猫。她发现，在一个晚上的睡眠后，受试者可以准确地识别出死猫的图像，但他们忘记了背景街道场景。最令人印象深刻的是，当她在早上训练受试者，然后在白天清醒后在晚上对他们进行测试时，这种对背景细节的选择性遗忘并没有发生。如果中心图像是非厌恶性的，例如，如果它只是一只过马路的猫，这种情况也不会发生。因此，睡眠而不是清醒，导致研究参与者的大脑优先保留高度情绪化的中心图像，而不是中性图像（过马路的猫）或它们的背景场景。
但不仅仅是情绪记忆在睡眠期间得到优先增强。看来，您认为重要的任何东西都会在您睡觉时被选择性地保留。欧洲的两个小组已经表明，告知接受过特定任务训练的受试者，他们是否会在睡眠后对该信息进行测试，会影响睡眠期间发生的事情。正如您可能预期的那样，只有受试者被告知他们将重新测试的信息，在第二天才会显示出改进。相比之下，当受试者在早上接受训练时，告知他们是否会在晚上接受测试似乎没有任何区别。因此，睡眠而不是清醒，选择性地加强大脑认为有价值的记忆。
这些发现支持了哈佛大学的丹尼尔·沙克特关于记忆是关于未来而不是关于过去的论点。他认为，我们进化出记忆系统不是为了让我们回忆过去，而是为了让我们能够利用先前的经验来提高我们未来的表现。在这种背景下，睡眠似乎最关心可能与未来相关的信息也就不足为奇了。当我们谈论睡个好觉来解决问题时，我们不仅仅是要求睡眠中的大脑记住某些东西。我们希望我们的大脑能够获取已经存储在那里的信息并进行某种计算，将不同的可能性并列，找到解决问题的最佳方案。对我们来说幸运的是，它可以做到！
芭芭拉·J·诺尔顿和她在加州大学洛杉矶分校的同事开发的天气预报实验突出了这种分析能力的一个例子。诺尔顿向受试者展示了一组四张牌中的一张或多张——每张牌都显示一个特定的几何图案（圆形、菱形、正方形或三角形）。在受试者开始任务之前，研究人员将每张牌分配给一个特定的假想天气结果——晴天或雨天——但没有与参与者分享该信息。然后，根据显示的卡片，研究人员要求这些参与者预测卡片是否表明天气将是晴天还是雨天。随着时间的推移，受试者逐渐了解了卡片与天气的关系。例如，第一个试验可能显示菱形卡片，并且受试者被告知天气结果是晴天。然后，在第二个试验中，圆形和三角形卡片都显示出来，天气结果是雨天。即使在仅仅这两个试验之后，受试者也不可避免地会开始构建关于关系的假设，例如菱形意味着阳光。
这里的诀窍是，卡片与天气只是概率性相关的。因此，菱形卡片在 80% 的时间预测晴天，但在另外 20% 的时间里，它后面跟着雨天。其他卡片最终预测晴天的概率仅为 20% 到 60%。在诺尔顿的研究中，即使经过 200 次试验，受试者仍然没有掌握这项任务，猜测最可能的结果的准确率约为 75%。
此类任务的使用使研究人员能够区分大脑内不同的记忆系统——那些参与记忆事实（“是什么”系统）和那些参与学习技能（“如何”系统）的系统。当受试者接受天气预报任务训练时，他们慢慢地从使用是什么系统转向如何系统。当我的实验室的伊娜·迪翁拉吉克询问睡眠对这些信息会产生什么影响时，她获得了惊人的结果。当早上接受训练的志愿者在同一天晚上重新测试时，他们的表现也约为 75%，显然完全保留了他们早上学到的信息。但是，当其他受试者在晚上接受训练并在一个晚上的睡眠后接受测试时，他们预测结果的能力比前一天晚上提高了 10%。不知何故，睡眠中的大脑实际上能够提高参与者对卡片与随后天气之间关系的理解。他们对世界如何运作获得了更好的模型。
研究人员对我们在睡眠时发生的事情探索得越多，他们就越发现良好睡眠的新益处。最近添加到该列表中的可能新增内容是从大脑中清除废物。2013 年，罗切斯特大学医学中心的谢璐璐和她的同事报告说，睡眠期间大脑细胞之间的空间会增加，从而使脑脊液在大脑和脊柱之间更好地流动。当研究人员将 β-淀粉样蛋白（阿尔茨海默病患者神经元之间发现的淀粉样斑块的前体）注射到小鼠体内时，他们发现睡眠期间 β-淀粉样蛋白从大脑中清除的速度是清醒动物的两倍。据推测，脑脊液流量的增加有助于将潜在的毒性分子移出大脑，远离可能造成最大损害的区域。现在研究人员希望找出在阿尔茨海默病患者中，睡眠期间通常看到的流量增加是否会受到损害。
鉴于所有关于睡眠的多种功能以及可能还会发现更多功能的最新研究，在睡眠上偷工减料似乎是应对日常生活需求的一种越来越糟糕的策略。总而言之，研究睡眠在激素、免疫和记忆功能中的作用的研究结果表明，如果您没有获得足够的睡眠，除了非常疲倦之外，您还可能最终生病、超重、健忘并且非常忧郁。