27. 睡眠的功能

该文本摘自：《睡眠的科学》（2017年），作者：皮奥特·沃兹尼亚克

睡眠的起源

人脑是生物进化的最高成就。它始于简单的传导冲动能力，然后发展出令人惊叹的神经网络概念。原始脊椎动物的大脑开始新增结构，同时也引入了优化神经连接网络的新机制。睡眠是一种相对古老的发明，通过分子和神经机制重新组织记忆。昼夜节律在植物和动物中都有，且不依赖于对睡眠的需要。然而，进化过程巧妙地将睡眠与昼夜节律联系起来，以有效地在探索状态（即用大脑学习新事物）和巩固状态（即睡眠）之间交替。昼夜周期与大约一百种已知的生理功能和参数相关联，这些参数在一天中协同变化（这个数字现在正在迅速增加，例如通过对基因激活的昼夜节律分析）。与睡眠密切相关的激素水平周期包括血清素、褪黑素、ACTH、皮质醇、乙酰胆碱、腺苷和生长激素。有一个我们无需复杂测量就能自行观察到的昼夜功能：体温的变化（参见《人类睡眠的双相性质》中的图表一天中的温度变化）。

我们一生中三分之一的时间都在睡觉，因此睡眠引起了神经生理学家的大量关注也就不足为奇了。鉴于大脑及其功能的巨大复杂性，曾有数百种理论试图解释睡眠的作用。直到最近，随着新研究技术的出现，我们才得以在大量细节中看到全貌。

睡眠理论

在过去的两个世纪里，人们提出了几十种睡眠理论。一些科学家认为我们睡觉是为了记忆。另一些人则认为我们睡觉是为了遗忘。还有一些人认为睡眠与记忆无关。也有来自哲学家、宗教人士、意识形态运动等的理论。例如，“睡眠能大幅提高积极性”就是一个非常模糊但实际上在很大程度上是正确的“理论”。

对于生物学家来说，确定一个理论有效性的最好基础是它的进化视角。主要问题是：睡眠到底承担了什么重要的功能，以至于需要关闭占我们生命的三分之一的认知功能！每个睡眠理论都必须通过这个基本的试金石。我们称之为关机测试。Allan Rechtschaffen说的最好：“如果睡眠不具备绝对重要的功能，那么它就是进化过程中犯下的最大错误”。关机测试是筛除看似可信的睡眠理论的最佳方式，不过，作为练习，你也可以检验哪些理论能解释这样一个事实：如果某天我们没有获得足够的睡眠，之后的某天我们就需要补回来。比如说，如果睡眠的作用是为了避免被捕食，那么我们就不会产生需要偿还的“避免捕食债务”。如果我们四处活动却幸免于捕食，那么我们在第二天晚上幸存下来的几率完全相同。

我们当然不能忘记，有些与睡眠相关的变量，并不一定是其主要功能的体现。从进化的角度来看，睡眠是一种非常古老的现象，各个物种在这一状态下逐渐附加了数十种神经和非神经功能。例如，睡眠是人体主要的合成代谢状态。正因为睡眠具有多功能性，仅仅通过研究动物体型、脑容量、生活习性、食物类型、寿命、活动水平、REM 睡眠比例等变量，很难确定其主要功能。这些研究都很有趣，但由于存在大量相互重叠的变量，它们实际上模糊了睡眠的核心功能。

下面我将简要列出一些试图解释睡眠作用的理论。我会将它们分为两类：一种是能够回答、另一种是无法回答那个核心问题的——为什么必须关闭意识。让我先从那些未能通过关机测试（如上所述）的无数理论中挑选出一部分开始。

未能通过关机测试的理论

这里列出的，只是无数睡眠理论中的少数几种。它们或许基于真实的事实与模型，或许在某种程度上揭示了睡眠的作用。然而，这些理论依然无法解释，人类每天为何必须长时间「失去意识」这一根本需求：

  • 能量保存——如果睡眠只是单纯的休息，我们完全可以躺在昏暗处，同时保持对捕食者的警觉。实际上，大脑在整夜里的活跃程度与清醒时几乎相同，因此让它「关机」并不会带来额外优势。睡眠不是冬眠。

  • 修复与恢复 —— 如果睡眠只是为了重建白天消耗的身体，为什么不通过简单的代谢逆转来完成，而不必失去意识呢？许多组织在清醒状态下同样能够进行修复和恢复。专门的合成代谢状态固然有益，但这完全可以在大脑保持清醒的情况下实现。

  • 不常用神经回路的再激活 —— 如果激活不常用的记忆是防止遗忘的必要条件，进化可能会采用分子机制，使得一旦突触被增强，突触强度能够随时间自发增加，无需二次激活。这样一来，遗忘这一宝贵的进化机制就会被废除。同样，为了巩固记忆而随机进行的REM激活也显得浪费。遗忘在进化中具有特定功能，突触强度的增加应仅源于对特定经历的反复暴露（例如，SuperMemo中的重复训练正是为了这个目的）。

  • 从慢波睡眠的恢复 —— REM 睡眠被假设为从 NREM 睡眠恢复的阶段。如果 REM 仅仅是一个恢复阶段，为什么它会在一夜之间多次发生？它难道不应该只在表示睡眠周期结束的时间信号（zeitgebers）出现时才发生吗？我们为什么一开始还要进入 NREM 睡眠？显然，NREM 和 REM 承担着互补的功能，但这一理论对进入无意识睡眠状态的必要性解释甚少。

  • 避免捕食 —— 睡眠时的不活动被认为是为了尽量减少被捕食者发现的风险，但为什么我们需要关闭所有感官，并将反应时间延长到几乎无用的程度呢？而且，食肉动物的睡眠时间往往远超过杂食动物，这反而暗示，保持警觉可能比沉睡更有利于躲避捕食者。

  • 逆转氧化应激损伤 —— 失去意识如何有助于清除自由基？食肉动物的睡眠时间比杂食动物更长？行动缓慢且体型庞大的大象每天只需3小时睡眠，而生活节奏快且体型微小的老鼠可能睡18小时。这表明，并非所有睡眠变量都必须反映其神经功能。

  • Siegel 理论 —— 著名反对睡眠与记忆关联的学者 Jerome Siegel 博士提出了他的睡眠理论：「睡眠仅仅是一种提高动物效率的好方法，例如只在狩猎条件良好时进行狩猎，从而将风险降到最低」（Siegel 2009[74]）。复杂睡眠控制机制中的极小子集就足以满足 Siegel 博士提出的睡眠功能。例如，仅保持动物清醒且像REM 睡眠时那样瘫痪就足够了。其余所有的睡眠控制不过是时间和资源的简单浪费。关于该理论的更多内容，请参见：Robert Vertes 和 Jerome Siegel。

  • 角膜缺氧 —— 有一种理论认为，REM 睡眠为角膜提供养分。如果眼球运动是唯一需要，仅凭清醒状态难道不能完成这项工作吗？如果这个功能依赖于睡眠中的合成代谢状态，那它也只是睡眠主要目的的次要体现。REM 中眼睛的运动，可能仅仅反映这是一种不会伤害动物的动作。眼睛之所以运动，可能只是因为它们的肌肉无需关闭。

  • 促进长寿 —— 睡眠对于生存至关重要，因此确实有助于延年益寿。但肝脏同样如此，然而没人认为肝脏的主要功能是促进长寿。而且，进化过程并非以延长寿命为目标，而是为了基因库的延续。

  • 体温调节 —— 一些科学家认为睡眠具有体温调节功能，而另一些则认为体核心温度在诱发睡眠倾向中起重要作用。Kurt Kräuchi 博士总结道：「所有导致核心与外壳温度比率增加的体温调节效应（例如通过提高远端皮肤温度降低外壳温度）都会引起嗜睡，进而增加睡眠倾向。然而，嗜睡和睡眠调节系统仅通过睡眠相关行为（如放松、躺下）间接反馈至体温调节系统。」（Kräuchi 2007[75]）。该理论大量探讨因果关系，但对睡眠目的的解释甚少，未能通过关闭测试。

  • 解毒作用 —— 睡眠科学奠基人之一、罗马尼亚精神病学家Constantin von Economo提出，睡眠是一种通过清除血液中催眠毒素的解毒过程。然而，一些试图复兴这一观点的新纪元作者犯了一个简单的逻辑错误，认为大脑关闭是为了防止催眠毒素引发的大脑关闭。实际上，这一功能完全可以由肾脏、肝脏及其他机制完成，而这些机制根本无法通过关闭测试。

  • 其他理论：包括精神分析理论、凯西理论等其他睡眠理论，往往带有超自然或伪科学色彩。它们可能包含一定的真实性（例如神经网络优化确实有助于自我完善），但详尽列举超出了本文讨论范围。

通过关机测试的理论

如果我们考虑当前对睡眠功能的认识，许多较早的理论开始显得合理。它们似乎汇聚于一个核心主题，且充满启发。以下是其中的一些：

  • Krueger 和 Obal 理论：该理论认为神经网络具有自然倾向进入睡眠状态。但将睡眠称为一种几乎不需中央控制的网络自发现象，可能有些夸大（参见：我们为何会入睡？）。

  • 梦境创造智慧：没错！梦境是记忆重组过程的表现。通过做梦，知识变得更连贯、更抽象、更具适用性。睡眠中技能得以磨炼和完善，这意味着我们早晨醒来时比睡前更聪明、更熟练！

  • 垃圾回收：Evans（1965年）提出的早期理论，借用计算机中垃圾回收的比喻，认为睡眠是清除大脑中无用记忆的必要过程。确实，有大量证据表明睡眠期间突触功能减弱，许多垃圾和混乱在一夜之间从大脑中蒸发消散。

  • 逆向学习：受 Evans 思想启发，逆向学习理论由 Crick 和 Mitchison 于 1983 年在《自然》杂志提出。该理论是神经网络垃圾回收的神经学对应，认为梦境筛选掉无用、无关或不一致的记忆。Francis H.C. Crick（1916年生）与 James Watson 共同揭示了 DNA 双螺旋结构，并因此获得1963年诺贝尔奖。1983年，Crick 和 Salk 研究所同事 Graeme Mitchison 在《自然》指出，人类记忆可能过载，REM 睡眠则用于执行记忆的垃圾回收过程。他们称此过程为「逆向学习」，最初认为其唯一目的为遗忘不必要的记忆负担。Crick 将这些负担记忆称为「寄生记忆」，并说「REM 睡眠使我们拥有更小的大脑，却完成更伟大的目标」。Crick 的开创性文章被许多研究者延续发展，最终认为REM 睡眠必须服务于通过神经网络突触权重对记忆的优化！如果REM 睡眠只是用来遗忘多余信息，Crick 的理论将面临与其他早期理论相同的进化困境。毕竟，随时间自然丧失突触信息是代谢上简单且廉价的解决方案。神经网络优化的价值远超遗忘本身。

  • 记忆巩固——一些研究者认为记忆在REM睡眠中得到巩固。那么，NREM睡眠的作用是什么？既然抗抑郁药是强效的REM抑制剂，为何它们不会损害学习？为何REM脑表现得像清醒状态？「巩固」一词含义模糊，既可指分子层面的过程，也可指神经层面的过程。只有神经层面的[巩固]可能需要大脑关闭。关于程序性学习，有区分习得、习得后[巩固]和睡眠依赖的增强，其中只有增强依赖睡眠。已有研究证明许多程序性任务存在睡眠依赖的增强（Stickgold 和 Walker 2007[77]）。更多内容见：睡眠中的神经优化。

  • 心理治疗理论——该理论认为，睡眠中我们会做出在现实中情感难以面对的梦境情境，这有助于我们学习如何在紧急情况下做出反应，而无需真正经历这些紧急状况。这种解释合理，因为它涉及关闭意识状态。梦境内容分析也显示威胁情境占主导。然而，心理治疗理论应被视为对睡眠更广泛功能——神经回路优化——的局部解读。在这一过程中，已知信息以不同组合方式回放，帮助形成可能有助于生存的新行为策略。正如本文所述，睡眠的创造性与优化功能更加普遍，涵盖其他神经功能，而不仅限于应对清醒生活中的威胁。

  • 激活合成理论——该理论由 Hobson 和 McCarley 于1977年提出（Hobson and McCarley 1977[78]）。激活-合成理论认为，睡眠期间存在感觉抑制（输入减弱），而在REM睡眠阶段则存在运动抑制（输出抑制）。REM睡眠特征性的脑桥PGO波传至大脑皮层，大脑皮层试图解释该刺激，从而产生梦境。视觉、听觉和运动皮层区域处于活跃状态，负责梦中体验的一切感知。激活合成理论激发了对REM睡眠神经功能的进一步研究。

  • AIM 模型——AIM 模型是 Hobson 对激活合成模型的改进，该模型主导了该领域研究近二十年（Hobson 等，2000[79]）（图片）。在AIM模型中，大脑状态由三个变量描述：（1）激活度，（2）输入源，以及（3）调制。健康大脑在 AIM 空间中沿特定轨迹移动。各种精神和睡眠障碍可以被描述为偏离这些轨迹。该模型并未解释睡眠的功能，但有助于用简单的神经激素术语描述睡眠。例如，REM睡眠的特征是高激活度、极少的感觉输入和胆碱能调制。

  • 大脑发育理论——在大脑发育理论中，做梦被认为为大脑神经回路提供内部刺激，以确保其生长与发育。由于婴儿做梦的时间远多于成年人，该理论从婴幼儿未成熟程度与动物REM睡眠比例之间的相关性中获得启发。人类婴儿与环境的互动能力特别有限，梦境被认为充当了清醒体验的替代。REM睡眠诱发的肌肉无力状态，结合大脑激活，可以通过激活突触促进大脑生长，同时避免因实际行动带来的负面后果。Stryker（Stryker 等，2001[10]）已证明REM睡眠在视觉系统发育中的作用。REM睡眠剥夺会导致后期发育异常。近期，NREM睡眠的作用也得到确认。