人类进化了这么多年，为什么还一直需要睡觉？

睡眠占据了人生三分之一的时间。从简单的虫子（果蝇）到两栖类，从鸟类到哺乳类，所有的动物都在睡眠上花费了大量的时间。睡眠能够使能量代谢降低20%，这对经常处于饥饿状态的动物或者原始人类而言似乎很划算。但现代人类的能量摄入普遍过量了，那么我们为什么还要睡觉呢？这仅仅是一个祖传的习惯而已吗？

睡眠的时空结构

睡眠过程主要发生在我们的脑中。脑是由1000亿神经元组成，这些神经元就像森林里的大树，枝叶和根系扩散的很远；神经元之间还会通过一种叫做突触的结构相互联系起来，组成复杂的网络。动作电位像电脉冲，沿着神经元的突起在这个巨大的网络中快速穿梭，传递信息，改变网络结构，最终形成了我们复杂的意识和各类活动。

这个巨大的网络可以分为睡眠和清醒两个典型的状态。20世纪初，快速眼动睡眠被发现，睡眠被分为慢波睡眠和快速眼动睡眠，其中慢波又被划分为3-4个不同的阶段。近年来的研究发现，睡眠无论在时间上还是空间上都是一个逐渐变化的过程。

在空间尺度上，我们的大脑各个区域并不是同时入睡的，高级皮层会先于低级皮层进入慢波睡眠。实验过程中，人类被试在困意来袭之后，虽然会继续按照要求继续识别屏幕上的图片，但早前对图片内容起反应的高级脑区神经元却已经停止了活动。疲劳驾驶容易导致判断错误及反应速度降低，就是类似的原因。

在时间维度上，慢波睡眠和快速眼动睡眠也都不是一个均匀的过程。通过大范围长时间的记录神经元的活动，科学家们发现，刚开始进入慢波睡眠后，处于慢波睡眠阶段的脑区最多，慢波的强度也最大；随着睡眠的进行，睡眠压力逐渐降低，各脑区慢波睡眠的强度也随之逐渐降低，表现为同步化放电的相对减少，有些脑区会逐渐退出慢波睡眠。快速眼动睡眠也是如此，相对于前半夜，后半夜的快速眼动睡眠含有更多的高频成分，即更接近清醒状态。通常，我们更容易记住的梦也是在后半夜发生的。

生物钟和内稳态

当清晨的阳光照射到眼睛上，视网膜上一种特殊的感光细胞（ipRGC）将这个信号传递到我们的昼夜节律控制中枢视交叉上核（SCN），促使我们从睡眠转向清醒。视交叉上核中，四种主要的节律基因日复一日，周期性的转录翻译合成蛋白再降解，调控着我们全身的节律性。不同于视锥细胞和视杆细胞，ipRGC并不参与视觉的形成，而是为了使我们内在的生物钟与外部的环境同步，类似于校对时间。当我们进行跨时区旅行的时候，这种调节能力使我们能快速适应新的环境。日出而作，日落而息。地球24小时的自转，塑造了所有动物的昼夜节律。对于夜行性动物，光照则起着相反的作用。比如老鼠，就更喜欢在光照的时候睡觉。

神经元在活动过程中，需要消耗大量的能量。能量分子ATP被分解为腺苷，腺苷再被突触释放到细胞外液中，并结合到细胞外的腺苷受体上，使得睡眠压力逐渐增大。当细胞外腺苷积累了很多之后，我们就会忍不住打着哈欠想睡觉了。咖啡之所以提神，就是因为其中的咖啡因鸠占鹊巢，抢先结合了腺苷的受体，所以能够暂时缓解睡眠压力。当我们睡眠的时候，神经元活动减弱，腺苷的回收多于释放，细胞外腺苷浓度降低，睡眠压力逐渐减小，直至我们醒来。除了腺苷，还有多达30余种类似的多肽或蛋白质调节着我们的内稳态，影响着睡眠和清醒过程。生物钟使我们周期性的清醒与睡眠，与之不同的是，内稳态的睡眠压力则只能通过睡眠来释放。

睡眠环路

昼夜节律和内稳态是调节睡眠的两个主要动力。而具体的调节过程，则由脑内的睡眠环路来执行。近十年来，科学家陆续发现了许多相关的环路，逐渐组成一个完整的拼图。这些环路主要位于大脑深部，在进化上起源很早。刺激促清醒环路，动物就会从睡眠中醒来；刺激促睡眠环路，清醒环路就会被抑制，动物就会进入睡眠。脑干上还有一些核团，则调控深度睡眠和快速眼动睡眠，使睡眠在这两种状态内切换。

几亿年的进化，这些环路形成了非常精巧的调节。当前已发现得睡眠相关环路超过20个，环环相扣。不同环路的损伤，则会导致多达80余种不同的睡眠障碍。促进清醒的神经元中有一种能合成食欲肽（orexin），缺少这种神经元会导致患者清醒不足，白天出现做梦一样的幻觉。丘脑中的一些促清醒神经元（PVT）损伤，则可能导致患者很长时间处于无法被唤醒的状态，即植物人状态。REM睡眠时，皮质脊髓束就被抑制了，这样即使在梦中跑跑跳跳，我们的四肢依旧非常安稳。曹操说他“梦中好杀人”，如若果真如此，也许就是这个下行抑制核团出了问题。

可能是造物主的偷懒，睡眠环路与奖赏、运动、情绪、记忆、食欲等许多重要环路有着或多或少的共用部分。例如，伏隔核是奖赏环路的重要组成部分，但它也能调控睡眠，该睡觉的小鼠见到异性或者玩具，伏隔核活动就会增强，睡眠就被抑制了。所以有趣的课堂上，大家都精神饱满，而遇到枯燥的时候，很多人就忍不住的作庄周梦蝶了。作为奖赏系统的一部分，伏隔核也参与了药物成瘾的形成，所以也就不奇怪成瘾患者多会有睡眠问题，或睡不醒，或睡不着。

科学家对超过一百万人的基因组数据进行分析，发现失眠（insomnia）相关基因与众多精神类疾病显著相关，如焦虑、抑郁、精神分裂症、双相障碍等。这些共病现象也与睡眠同高级认知功能共环路的发现是一致的。科学家今年构建的睡眠障碍克隆猴模型，也同样表现出了类似焦虑、精神分类等精神疾病症状，有望为研究和干预这些共病现象提供良好的工具。

修补与清除

如果说生物钟和睡眠环路仅仅是进化的结果，那么能量和光照的获取对于现代人类已经不是问题，那么我们为什么还是改不掉要睡觉的习惯呢？

白天，神经元活动特别繁忙，基因组转录剪切，蛋白质合成运输，突触不停的形成与降解。离子通道打开关闭，消耗能量维持膜电位。繁忙的铁路运输会损耗铁轨和机车，所以到了夜间必须留出时间进行检查修补。基因组的活动也一样，遗传物质出错而不修补，错误的累积，会导致其功能异常，细胞死亡，甚至会癌变。科学家最近通过透明的斑马鱼发现，在清醒的过程中，遗传物质双链DNA的缺口（double strain breaks）会逐渐增加，而睡眠则会增加染色体的动态变化，从而修复这些缺口，避免遗传物质的损坏。

脑在白天的活动，还产生了很多代谢废物，其中最典型的就是τ蛋白，这种蛋白是老年痴呆症的一个典型标记。在睡眠的时候，这种有害的废物就会很快就被清除了。如果该睡觉的时候不睡觉，我们称之为睡眠剥夺，结果τ蛋白就会在多个脑区和脑脊液中快速积累，超过正常水平50%至150%，从而增加痴呆的风险。

为什么这些代谢废物在睡眠剥夺后就会快速积累呢？科学家把染料放在小鼠的皮层上，发现当小鼠睡着之后，染料很快就扩散进了大片的脑区，而清醒的时候这种扩散则慢很多。这是为什么呢？原来在睡眠的时候，细胞之间的空隙（淋巴系统）增大了60%，羊肠小道变成了高速公路。正是因为淋巴系统的这种扩张，有害物质如β-淀粉样蛋白才能得以顺利的清除。此外，良好的睡眠对血管具有保护作用，对免疫系统也有增强作用。

修复遗传物质和清理代谢废物，这两项必不可少的功能，赋予可以睡眠的动物巨大的生存优势。即使是像老鼠这样处于食物链底层的动物，它可以睡一会醒一会，但却不能一直醒着不睡觉。

学习与记忆

睡眠不好的时候，你可能会感觉到记性变差了。睡眠还对我们记忆的形成与巩固发挥着至关重要的作用。科学家们在这个方面做出了很多很有意思的发现。

再巩固理论（Reconsolidation）认为，学习内容的在大脑中再次激活对于形成长期记忆是至关重要的。再巩固不仅发生在清醒的时候，也发生在睡眠时期。最早，科学家发现让被试在睡眠时再次接触清醒时关联的记忆任务，发现这些被试醒后的回忆正确率最高。最近又有报道，在午睡时让被试学习关联词汇的任务，醒来后进行检测，被试竟然能够回答出来，虽然他没有意识到自己已经记住了。看来边睡觉边学习不再只是梦，即便昼短苦夜长，也毋须秉烛游了。

科学家训练小鼠走迷宫，发现在其前额叶中间皮层有神经元顺序性的放电。当小鼠睡着以后，这些神经元会多次顺序放电，有意思的是放电速度是清醒时的6-7倍。电影《盗梦空间》（inception）就借用了这一点设定，梦里的时间会比现实中慢很多。

海马是形成记忆的关键脑区。在睡眠过程中，海马中会有很强的theta波。对theta波进行干扰，则会打乱了小鼠对前一天任务的记忆。对睡眠的干扰，不仅影响前一天记忆的巩固，还会影响第二天对新任务的学习。

近几年来，对睡眠的研究已经深入到突触水平。神经元上的突触处于动态平衡的过程中。在清醒状态下，由于神经元持续的活动，突触的数目和连接强度会整体上升。而到了睡觉的时候，突触又会被修剪，从而保持其平衡。但是这种修剪是有选择性的，与新记忆有关的突触修较少修剪，并且还会被增强。而长期不用的记忆所在的突触，则会被慢慢的修剪掉了，宏观上表现为逐渐遗忘。干扰睡眠，无论是深度睡眠还是快速眼动睡眠，都会对突触的修剪与稳定造成破坏，从而影响记忆的形成。

此外，科学家还研究发现，通过非侵入式的低频（<1Hz）物理刺激，如声音或者经颅电/磁刺激，可以增强被试的睡眠，并同时增强了记忆功能。虽然这些方法还处于实验室研究阶段，但随着对睡眠机制和睡眠障碍原理的深入研究，我们对睡眠的干预手段和方法也会逐渐丰富与完善，从而对人类的睡眠和身心健康做出贡献。

从突触修剪到学习记忆的加工，从遗传物质修复到脑中代谢废物的清除，从情绪调节到认知奖赏功能的调控，睡眠在我们的健康生活中扮演着至关重要的作用。睡眠不足或者过多，都会危害我们的健康。中庸之为德也，其至矣乎。动如脱兔，静如处女，在睡眠与清醒间之间保持着稳态平衡，才是健康的生活之道。

（作者姜建 2015年于中科院神经所获得神经生物学博士学位，当前在神经所任助理研究员，主要研究内容是睡眠干预和睡眠脑电分析。）

作者：姜建 苑成梅
编辑：金婉霞
责任编辑：姜澎

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