睡着时也睡

“这真是千真万确：我一直都在昏睡中度过一生。我的身体麻木得像一具溺水的尸体。我的存在，我在这个世界上的生活，都像一场幻觉。一阵强风会让我觉得我的身体即将被吹到天涯海角，吹到一个我从未见过或听说过的国度，在那里我的思想和身体将永远分离。”

——摘自村上春树1989年的作品《睡眠》

我们都经历过。 你上床睡觉，闭上眼睛，放空思绪，等待意识消退。过了一段无时间间隔的时间后，你醒来，精神焕发，准备迎接新一天的挑战（注意你是永远无法捕捉到自己失去意识的那一刻的！）。但有时你的内心世界并没有关闭——你的思绪仍然高度警惕。你辗转反侧，却找不到睡眠带来的幸福解脱。失眠的原因可能有很多，但后果始终如一：第二天你会感到疲惫，你会感到困倦，你会打盹。注意力涣散，反应时间减慢，你的认知-情绪控制力下降。幸运的是，疲劳是可逆的，经过一两个晚上的充足睡眠后就会消失。

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我们一生中大约有三分之一的时间处于静止状态，其定义是相对的行为静止和对外部刺激的反应降低。累积起来，这相当于普通人一生中数十年的睡眠时间。啊，我知道你在想，如果我们减少这些“浪费”的时间来做更多的事情，那该有多好！当我年轻的时候，我也信奉“死了才能好好睡觉”的座右铭。但我已经醒悟到，为了获得最佳的长期身心健康，我们需要睡眠。

人类与所有多细胞生物都有这种每日睡眠的需求，任何与狗、猫或其他宠物一起长大的人都知道这一点。

通过思考睡眠的生物学过程本身，可以观察到对睡眠重要性的理解。睡眠受到稳态的精确调节：在白天，睡眠压力会逐渐积累，直到我们在晚上感到困倦，不断打哈欠和打瞌睡。如果被剥夺睡眠，人类会体验到一种最终无法抗拒的寻求休息的需求——事实上，他们会变得“醉眠”。一个更古老的19世纪术语，更接近真相，是“脑力衰竭”，大脑要求休息。

在我的上一篇“意识再探”专栏中，我描述了临床医生如何通过记录来自放置在睡眠者头皮上的脑电图（EEG）传感器网络的大脑电波来定义睡眠[参见下图]。就像海面一样，大脑的电活动不停地骚动，反映了头骨下大脑皮层中看不见的微小震颤，这些震颤被脑电图电极拾取。快速眼动（REM）睡眠的特征是低电压、断断续续、快速变化的大脑电波（矛盾的是，这也是放松清醒状态的典型特征），而非快速眼动睡眠的特征是缓慢上升和下降的较大振幅的电波。实际上，睡眠越深、越安稳，反映大脑空转、恢复性活动的电波就越慢、越大。这些电压振荡，被称为δ波，可以慢至每四秒一次，快至每秒四次（即在0.25至4赫兹的频率范围内）。在深度睡眠期间，对单个神经元的放电进行调整，可以发现离散的关闭期，此时神经细胞停止产生任何电活动300至400毫秒。这种在大部分皮层同步发生的周期性静默期是深度睡眠的细胞学标志。

微睡眠

我的上一篇专栏“半脑睡眠”强调了睡眠研究人员日益增长的认识，即清醒和睡眠并非全有或全无的现象。仅仅因为你睡着了，并不一定意味着你的整个大脑都睡着了。相反，正如我现在将要描述的那样，我们也了解到，即使当你清醒时，你的整个大脑也可能没有完全清醒。

睡眠侵入清醒状态的一个例子是被称为微睡眠的短暂睡眠 эпизоды。这些间隔可能发生在任何单调的任务中，无论是长途驾车穿越全国，还是听演讲者滔滔不绝地演讲，或者是参加又一次没完没了的部门会议。你昏昏欲睡，眼睛开始下垂，眼皮合上，头反复上下点头，然后猛地抬起：你的意识短暂丧失。

在一项试图探索这种情况的实验中，参与者必须用操纵杆在电脑显示器上跟踪一个随机移动的目标，持续50分钟。虽然很简单，但这种视觉运动任务需要持续不断的注意力，过一段时间后就难以维持。事实上，平均而言，参与者每小时发生79次微睡眠 эпизоды，每次持续1.1到6.3秒，并伴随有绩效下降。微睡眠在脑电图记录中表现为从以α波段（8到13 Hz范围）为主的活动向下转移到θ波段（4到7 Hz）的振荡。

有害的是，受试者通常认为自己在微睡眠期间始终保持警觉，而没有回忆起任何失去意识的时期。这种误解对于驾驶座上的人来说可能是危险的。当驾驶或操作火车或飞机等机械时，微睡眠可能是致命的，而且往往是漫长而乏味的。在微睡眠 эпизоды 期间，整个大脑会短暂地进入睡眠状态，这就提出了一个问题，即大脑的某些部分是否可以自行进入睡眠状态，而无需整个器官都陷入睡眠。

事实上，在威斯康星大学麦迪逊分校研究睡眠和意识的意大利裔神经科学家 Chiara Cirelli 和 Giulio Tononi 在实验动物中发现了“困倦的神经元”，这些神经元没有表现出睡眠的行为表现。在这项研究中，11只成年大鼠的前额运动皮层（控制运动）植入了微丝。传感器插入皮层组织后，除了附近神经细胞的尖峰活动外，还拾取了称为局部场电位（LFP）的电压，类似于脑电图。正如预期的那样，当清醒时，LFP 主要由低振幅、快速波组成，很容易与非快速眼动深度睡眠的较大和较慢的波区分开来[参见下方方框]。

在单个神经元水平上，清醒动物的皮层细胞以不规则、断断续续的方式长时间地聊天。相反，在深度睡眠期间，皮层神经元经历了明显的神经活动“开启”期和“关闭”期，在此期间它们是沉默的。这种神经元沉默同时发生在整个皮层。它与有规律的开启期交替出现，导致上升和下降的大脑电波，这是深度睡眠的标志。

了解了这一切，研究人员决定进一步探索。实验人员没有让大鼠在通常的就寝时间睡觉，而是让动物们参与啮齿动物版的深夜视频游戏，不断地让它们接触玩具和其他物体，让它们嗅、探索和玩耍。他们敲击笼子，并以其他方式阻止它们采取睡眠姿势或变得昏昏欲睡。经过四个小时的这种兴奋之后，大鼠终于可以睡觉了。

正如先前动物和人体研究的预期，到睡眠剥夺阶段结束时，LFP 开始向较低频率转移，这与动物的睡眠压力稳步增加的想法相符。然而，对电信号的仔细检查显示出一些意想不到的情况：记录的大脑区域中的所有或大多数神经元偶尔会出现零星的静默期[参见下方方框]，而动物没有表现出微睡眠的行为或脑电图表现。这些短暂的、类似于关闭的 эпизоды 通常与 LFP 中的慢波有关。相反的情况发生在恢复性睡眠期间，在六小时期间即将结束时，此时睡眠压力可能已经消退。此时，LFP 中的大而慢的波变得不那么频繁，神经元活动变得更加不规则，就像清醒时一样。

看来，当清醒但睡眠不足时，神经元会表现出困倦的迹象，而在数小时的充足睡眠后，单个神经元开始醒来。仔细的统计分析证实了这些趋势：在强迫大鼠保持清醒的四个小时内，关闭期的数量增加，而恢复性睡眠期间则发生了相反的动态。

一个问题是，是否有任何一个神经元独立于任何其他神经元进入睡眠状态。或者，这种现象是否更像是一种全局现象，即所有神经元同时转换到关闭期？通过在第二个皮层区域（顶叶皮层，一个与运动皮层截然不同的区域）植入第二个微丝阵列获得的答案是，对这两个问题都是“是”。

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也就是说，有时两个区域的神经元一起关闭，而有时它们则独立进行。然而，随着睡眠压力的增加，在保持清醒几个小时后，睡眠剥夺期间的神经元活动确实变得更加全局同步（就像在深度睡眠中一样）。同样，动物在恢复期睡得越久，在两个皮层部位同时检测到慢波的可能性就越小。当睡眠压力较高时，神经元群可以更容易地被募集来产生构成深度睡眠的慢振荡。

这些结果描绘了一个比普遍观点更细致的清醒和睡眠视图，在普遍观点中，这两种状态都被认为是全局的、全有或全无的意识状态。相反，这些数据，加上来自癫痫治疗中偶尔使用的植入微电极患者的单神经元记录的支持，表明即使当受试者清醒时，个体的神经元也可能变得疲劳并偶尔退出。睡眠压力越大，这种情况就越有可能同时发生在皮层的许多地方。相反，经过数小时的安稳睡眠后，其中一些神经元与这些全脑范围的振荡脱耦，并开始醒来。

但是，如果神经元在睡眠剥夺期间离线，那么性能不应该会下降吗？毕竟，这些神经元必须服务于某种目的，如果它们打盹，那么某些方面应该会受到影响。为了调查这个问题，Cirelli、Tononi 及其合作者训练大鼠用它们的前爪之一穿过狭窄的开口去抓货架上的糖丸。如果动作笨拙，糖丸就会掉下来，无法再捡起来。

学习这项任务会激活运动皮层的一个特定区域，该区域会因训练而发生变化。在动物伸出爪子抓取糖果时，研究人员搜寻关闭期，他们发现，与大鼠成功捡起糖果时相比，神经元放电中的这些间隙更可能发生在运动皮层中，时间点是在尝试抓取糖丸失败前的一瞬间。事实上，一次关闭期的发生使成功试验的几率降低了三分之一以上。这些影响仅限于运动皮层，而在顶叶皮层中没有观察到，顶叶皮层不参与抓取任务。随着动物睡眠剥夺程度的加深，它们的整体表现下降，这对于睡眠不足的人来说是典型的。

局部睡眠

这项研究发现的是睡眠剥夺期间局部睡眠的存在：孤立的皮层神经元群短暂离线，而动物从所有表面迹象来看，仍在继续活动并做它所做的事情。如果这些神经元积极参与，局部闭眼更有可能发生，就像它们在学习抓取糖丸时一样。神经元也会变得疲劳和脱离，这是整个生物体发生情况的缩影。

从这些数据推断，似乎合理的是，随着睡眠压力的增加，这些关闭事件的频率及其在皮层中的优势增加，直到整个大脑的活动突然但短暂地同步，大脑陷入深度睡眠——眼睛闭上，头开始点头。受试者进入微睡眠。

睡眠是一个引人入胜的主题，即使我们无法有意识地体验深度睡眠，因为我们的意识被关闭了。睡眠是我们大脑每日周期中受到精细调节的一个方面，随着太阳的升起和落下而变化，睡眠状态的功能仍然存在争议。

在过去的一个世纪里，临床医生和神经科学家发现了不同的睡眠阶段（快速眼动和非快速眼动）以及参与控制这些阶段的中脑和脑干的不同区域。更重要的是，这些研究人员已经揭开了嗜睡症的神秘面纱，即患者突然且不可抗拒地入睡、微睡眠以及现在的局部睡眠。接下来会发生什么呢？