睡眠的奥秘：大脑是“关机”了，还是切换了工作模式？

以下文章来源于睡眠奥秘 ，作者徐敏。

当睡神许普诺斯降临时，人就会昏昏欲睡

撰文 | 徐敏（中科院神经科学研究所研究员）

夜阑更深后，

我们昏昏欲睡，逐渐进入梦乡；

曙光初照时，

我们精神抖擞，开启新一天的生活。

01 睡眠的奥秘一直很有趣

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。

02 已知的睡眠

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。

03 未知的睡眠

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？

脑子其实也是需要睡觉的，图片来自dana.org

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。

04 未来的睡眠

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。

05 人人的睡眠

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：

[1] Art Images for College Teaching, Great Altar of Zeus, Pergamon: Nyx, Goddess of Night (or one of the Erinyes/Furies?) hurls at serpent-wound vessel at a Giant, detail of north frieze, http://quod.lib.umich.edu/a/aict/x-gas291/gas291

[2] Borbély, A. A. A two process model of sleep regulation. Hum. Neurobiol. 1, 195–204 (1982).

[3] Allada R, Cirelli C, Sehgal A. Molecular Mechanisms of Sleep Homeostasis in Flies and Mammals. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2017 Aug 1;9(8):a027730.

[4] Saper CB, Fuller PM. Wake-sleep circuitry: an overview. Curr Opin Neurobiol. 2017 Jun;44:186-192.

[5] Zada D, Bronshtein I, Lerer-Goldshtein T, Garini Y, Appelbaum L. Sleep increases chromosome dynamics to enable reduction of accumulating DNA damage in single neurons. Nat Commun. 2019 Mar 5;10(1):895.

[6] Raven F, Van der Zee EA, Meerlo P, Havekes R. The role of sleep in regulating structural plasticity and synaptic strength: Implications for memory and cognitive function. Sleep Med Rev. 2018 Jun;39:3-11.

[7] Brown RE, Basheer R, McKenna JT, Strecker RE, McCarley RW. Control of sleep and wakefulness. Physiol Rev. 2012 Jul;92(3):1087-187.

[8] Fultz NE, Bonmassar G, Setsompop K, Stickgold RA, Rosen BR, Polimeni JR, Lewis LD. Coupled electrophysiological, hemodynamic, and cerebrospinal fluid oscillations in human sleep. Science. 2019 Nov 1;366(6465):628-631.

[9] Gamble KL, Berry R, Frank SJ, Young ME. Circadian clock control of endocrine factors. Nat Rev Endocrinol. 2014 Aug;10(8):466-75.

[10] Ji D, Wilson MA. Coordinated memory replay in the visual cortex and hippocampus during sleep. Nat Neurosci. 2007 Jan;10(1):100-7.

[11] Image source: Wikipedia/National Geography

[12] Drivers are Falling Asleep Behind the Wheel-- National Safety Council. https://www.nsc.org/road-safety/safety-topics/fatigued-driving

[13] American Academy of Sleep Medicine. International Classification of Sleep Disorders, 3rd ed, American Academy of Sleep Medicine, Darien, IL 2014.

[14] 中国超3亿人有睡眠障碍 成年人失眠发生率近4成-- http://gz.people.com.cn/n2/2019/0321/c344102-32761975.html