倒下的墙：解开睡眠之谜

本文最初发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者观点，不一定代表《大众科学》的立场。

编者按：倒下的墙会议是由倒下的墙基金会主办的年度全球性盛会，汇聚了来自 80 个国家的具有前瞻性思维的各界人士。每年 11 月 9 日，即柏林墙倒塌周年纪念日，都会邀请 20 位世界顶尖科学家齐聚柏林，展示他们最新的突破性研究成果。会议旨在探讨两个问题：接下来哪些“墙”将会倒塌？这将如何改变我们的生活？本文作者将在今年的倒下的墙会议上发表演讲。

根据我们的个人经验，我们深知优质睡眠对于身心健康至关重要。然而，在现代繁忙的生活中，尽管我们越来越重视体育锻炼和营养，却常常忽视睡眠，认为它是浪费时间。正如玛格丽特·撒切尔所言：“睡眠是弱者的专利！”

真是这样吗？睡眠是所有动物的普遍现象。作为人类，我们一生中有三分之一的时间处于睡眠状态，此时我们十分脆弱，对外界事件几乎毫无察觉。我们的睡眠受到精密调控，一旦受到限制，最终会通过更长、更深沉的睡眠来弥补。睡眠对于大脑的恢复和突触连接的重组至关重要，也是支持记忆力和持续注意力的关键。睡眠不足会立即影响情绪和健康，损害免疫系统和新陈代谢，并增加患高血压、糖尿病和中风的风险。睡眠片段化，即睡眠期间呼吸障碍的常见后果，甚至可能加速癌症的进展。显然，睡眠对大脑和身体至关重要，否则，进化早就为我们这些“弱者”找到了替代方案。

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尽管睡眠自古以来就令人类着迷，但在 20 世纪之前，它一直被视为“短暂的死亡”——这一观念可追溯至希腊神话中司掌睡眠与死亡的双生兄弟，许普诺斯与塔纳托斯。即使在今天，我们仍然常常认为睡眠不过是一种闲置的冬眠（正如我们将电子设备调至“睡眠模式”一样）。对睡眠的系统性科学研究始于 20 世纪 20 年代[KS1] ，随着脑电图（EEG）技术的发明而兴起，并在随后对不同睡眠阶段的识别中不断深入。睡眠阶段，如快速眼动（REM）睡眠和非快速眼动（NREM）睡眠，各自具有独特的脑电活动、脑生物化学和生理特征，并以典型的顺序出现，统称为“睡眠结构”。

曾几何时，睡眠研究专注于睡眠阶段，因为这有助于推动医疗的全球标准化。但随着时间推移，人们逐渐认识到，这种将大脑活动视为统一整体的视角具有局限性和片面性，无法捕捉大脑活动在支持睡眠重要功能方面的复杂性。因此，睡眠研究已转向关注特定脑区内不同类型的电活动波（震荡），例如非快速眼动睡眠期间出现的慢波（频率低于 1 赫兹）和睡眠纺锤波（频率为 10-15 赫兹），以及它们如何介导睡眠的功能益处。

睡眠和睡意的复杂局部波

在 20 世纪 90 年代，神经科学家们不再局限于使用脑电图（EEG）标记睡眠阶段，转而深入研究构成慢波基础的单个神经元的活动。他们发现，大脑皮层中的神经元大约每秒都会在活跃放电期和静默期之间反复“开启”和“关闭”。由于在麻醉状态下也观察到类似的同步慢波，因此当时人们普遍认为，在睡眠状态下，皮层中数十亿个神经元会像一个庞大的合唱团一样，整齐划一地同步“开启”和“关闭”。然而，一些现象与这种观点并不相符。例如，如果某个脑区在白天特别活跃并参与学习，那么它在随后睡眠期间产生的脑波会更强，且与其他脑区有所不同。在海豚和其他海洋哺乳动物中，一个大脑半球呈现慢波睡眠状态，而另一个半球却像清醒时一样持续活跃。诸如梦游症等睡眠障碍，也与睡眠和清醒活动模式的复杂混合同时发生有关，这再次表明，在非快速眼动睡眠期间，神经元并非总是同步地“开启”和“关闭”。

考虑到这些观察结果，我们决定采用一种新的方法，来探究非快速眼动睡眠（NREM）的慢波期间，大脑活动在多大程度上是统一的。在某些情况下，为了辅助诊断，并精确定位药物治疗无效的癫痫患者的发作起始区，需要在多个脑区植入电极。我们与睡眠研究专家 Chiara Cirelli 和 Giulio Tononi，以及神经外科医生 Itzhak Fried 合作，研究了这些患者在睡眠期间，多个脑区单个神经元的活动。与当时广为流传的教条相反，我们发现非快速眼动睡眠的慢波通常是局部发生的（不同步），即不同脑区会同时处于活跃和静默状态。我们证实，这是正常睡眠的一个普遍原则，不仅存在于其他哺乳动物中，且与癫痫无关。简而言之，局部睡眠波才是常态，而非例外。

基于这些发现，我们进一步假设，通常被头皮脑电图所忽略的局部慢波，可能仍然存在于从清醒时的睡意朦胧到完全进入睡眠状态的整个过程中。尽管疲劳会导致短暂的全身性睡眠发作（即“微睡眠”），但我们推测，即使在我们睁着眼睛与世界互动时，局部睡眠波也可能发生。

我们证实，在清醒但睡眠不足的大鼠和人类中，局部睡眠波与认知功能下降同步发生，尤其是在那些负责执行当前任务的大脑环路中。最后，不仅清醒状态下存在“睡眠岛”，睡眠状态中也可能存在类似清醒活动的“岛屿”。我们还发现，在人类快速眼动睡眠（REM）期间，单个神经元的活动与眼球运动以及心理图像的切换有关。

随着这种包含“睡眠岛”和“清醒岛”的阴阳图景逐渐清晰，睡眠仍然像一块大陆，在很大程度上仍是未知的领域。今天，划分睡眠与清醒的概念藩篱正在瓦解，取而代之的是一种新的框架，即睡意代表睡眠和清醒两种状态在不同脑回路中同时发生的复杂混合。

从实际应用层面来看，睡意是导致事故发生的主要原因之一，其危害程度堪比酒后驾驶。遗憾的是，我们目前尚无可靠高效的方法来量化个体在特定时刻的疲劳程度。因此，开发出能够检测和量化“睡眠岛”的方法将具有重要价值，从而能够识别出睡意何时达到危险阈值，及时警示并防止人们从事需要高度警惕的职业活动，如驾驶、航空和外科手术等。

睡眠研究的未来展望

除了基础睡眠研究的进展之外，一些正在进行的研究也展现出重要的应用前景。

—理解和测量睡眠深度。 在任何特定时刻，我们与外部环境“断开连接”的程度有多深？又是什么机制促成了这种“断连”？有些人似乎可以睡得很沉，几乎听不到任何动静（就像幼儿一样），而另一些人则很容易被惊醒（例如，在压力状态下或老年人）。一旦我们更深入地理解了决定觉醒的大脑活动机制，就有可能开发出受神经生物学启发的睡眠深度监测设备。随着技术发展，这类设备有望集成到“智能”卧室中，像体温计测量体温一样，量化睡眠质量。类似的监测设备也可应用于外科手术中，以消除术中意识，并最大限度地降低麻醉过深的风险。更广泛而言，“睡眠深度”监测仪还有助于对植物人患者和重度痴呆症患者做出医疗和伦理方面的决策，因为在这些情况下，我们仍然无法确定患者在多大程度上感知外部世界。

—睡眠：辅助医疗诊断的独特窗口。 几乎每一种神经精神疾病都伴有特定的睡眠活动异常，而睡眠监测能够以最小的不便性提供丰富的数据信息。通过超越简单的睡眠阶段概念，更精确地定义个体正常的、独特的睡眠脑波模式，我们有望改进包括阿尔茨海默病、帕金森病和自闭症在内的多种脑部疾病的早期检测，并评估中风患者的康复前景。

—改善睡眠：超越药物。 依赖药物助眠往往伴随诸多弊端，如耐药性和醒后昏沉等。目前的研究正在探索非侵入性干预手段（如精准定时的听觉和电刺激）在多大程度上可以增强睡眠脑波，从而改善认知功能和记忆力。未来，睡眠辅助设备或将成为我们生活的一部分，为失眠患者带来福音，并有助于对抗记忆力衰退。

总之，对睡眠生理学更深入的理解最终将对我们未来的生活产生深远影响，并为睡眠研究带来光明的前景。

倒下的墙会议由德国联邦教育与研究部、亥姆霍兹协会、罗伯特·博世基金会以及柏林参议院共同支持。同时，会议也获得了众多国际顶尖大学、研究机构以及基金会、企业、知名人士和非政府组织的支持与建议。

作者简介

Yuval Nir 是以色列特拉维夫大学的助理教授。

延伸阅读

睡眠剥夺后，选择性神经元活动中断先于人类认知功能下降。Yuval Nir, Thomas Andrillon, Amit Marmelshtein, Nanthia Suthana, Chiara Cirelli, Giulio Tononi, and Itzhak Fried 发表于Nature Medicine, in press.

人类快速眼动睡眠和清醒视觉期间的单神经元活动与眼动。Thomas Andrillon, Yuval Nir, Chiara Cirelli, Giulio Tononi, and Itzhak Fried 发表于Nature Communications, Vol. 6, page 7,884 ; August 11, 2015.

人类睡眠中的区域性慢波和纺锤波。 Yuval Nir, Richard J Staba, Thomas Andrillon, Vladyslav V. Vyazovskiy, Chiara Cirelli and Giulio Tononi 发表于Neuron, Vol. 70, pages 153–169; April 13, 2011.

清醒状态下大鼠的局部睡眠现象。 Vladyslav V. Vyazovskiy, Umberto Olcese, Erin C. Hanlon, Yuval Nir, Chiara Cirelli and Giulio Tononi 发表于Nature, Vol. 472, pages 443–447; April 28, 2011.