质疑记忆优化的科学家

本文节选自：彼得·沃兹尼亚克（2017）所著的《睡眠的科学》

睡眠是神经优化器吗？

《Science》2001 年 11 月 2 日刊收录了关于睡眠生理学的对立文章，为围绕睡眠功能的学术争论火上浇油。当人们试图理清名为睡眠的复杂神经优化过程的细节、并似乎接近带来重大突破之际，一些声誉卓著的研究者却在其中「横插一杠」。著名嗜睡症专家 Jerome M. Siegel 博士（Department of Veterans Affairs 的 Center for Sleep Research）分析了睡眠作用的证据，得出的结论是：……证据很匮乏！在一本多年来被视为最高质量科学堡垒的期刊上，人们系统地摆出了反对「睡眠在记忆巩固中发挥作用」的证据（Siegel 2001[152]）。Siegel 承认睡眠具有重要的进化功能，但在当时并未给出足以取代同一期《Science》中 Stickgold、Hobson 与 Maquet 所持立场的可行替代方案（Stickgold et al. 2001[153]，Maquet 2001[154]）。

在其后续出版物中，Siegel 提出了自己的睡眠理论，他说：「睡眠不过是一种提高动物效率的好方式，例如只在狩猎条件良好时才去狩猎，并将风险降到最低。」我之前提到过，该理论无法满足关闭测试；而为了满足 Siegel 所提出的「进化中保留睡眠」的标准，事实上只需要让动物保持清醒但肌张力消失（atonic）就足够了。更多关于 Siegel 理论的内容见：Robert Vertes 与 Jerome Siegel。

在科学中所有对立立场背后，都存在一个根本信念或模型；它往往要到后来才被现有证据的杂物所增强或搅浑。睡眠在学习中所扮演角色的根源，来自一种进化解释：我们为何需要把有意识的心智关闭三分之一的人生。反对「睡眠在记忆巩固中发挥作用」的人，起步往往来自一个难题：他们难以接受无意识的大脑会参与学习——而学习似乎需要有意识的心智。有些研究者会把「睡眠在学习中起作用」的发现，视为睡眠剥夺所用的压力方法带来的副作用；另一些则声称，睡眠帮助学习不过是因为它「刷新」了心智并恢复能量储备。在一团糟的数据之中，NREM 与 REM 睡眠的角色、程序性与陈述性学习、记忆巩固 vs. 记忆优化、短期 vs. 长期记忆、间隔效应 vs. 遗忘 vs. 干扰、动物与人类研究、压力与无压力的研究方法……这些混在一起，异议之声永远有空间。要在「睡眠在学习中扮演何种角色」的问题上减少抠字眼的余地，需要强有力的计算模型与明确无歧义的实验模型。在那之前，你会听到许多混乱的声音。

Robert Vertes 与 Jerome Siegel

在「睡眠在记忆中扮演的角色」这一问题上，Jerome Siegel 并不是唯一的异议之声。Robert Vertes 也是一位声誉极高的睡眠研究者。Siegel 与 Vertes 分别来自美国东西两岸（分别是：Florida Atlantic University（Boca Raton）的 Center for Complex Systems and Brain Sciences，以及 UCLA（Los Angeles）医学院精神病学系）。他们来自神经科学与睡眠研究的不同领域，却在对抗「睡眠参与记忆加工」这一高度主流观点的孤独战斗中联合了起来。他们对 Stickgold 博士给人留下「争论已经结束」的印象感到失望。我希望自己能对新想法保持开放，因此我想回应 Vertes 与 Siegel 博士们的担忧。

所有科学家，包括最聪明的那些，都有自己的偏见与直觉。事实上，没有什么比「为特定目的筛选出来的丰富知识」更能制造偏见。每一位专家都带着偏见与选择性的知识。这来自一个简单事实：一个人终其一生很难在记忆中累积超过几十万条信息。与此同时，人们常说，要配得上「专家」这个称号，需要掌握某一领域大约 50000 条信息。难怪所有专家最多只能真正涵盖一个领域——这个领域会渗透进他们所有思考之中，即便他们再用其他领域的 50000 条信息来把通识知识的「第二专长」翻倍。即便你觉得这些数字不可信，仅从专家的定义来看，在一个领域成为专家已很困难，更别说两个或更多了。

只有「专家式偏见」才能解释：为什么该领域顶尖科学家会与该领域中同样聪明的其他人意见相左。偏见问题影响每个人，这段文字也当然反映了我自己的偏见。我的偏见来自多年对记忆与学习的参与、我在计算科学方面的背景，以及我自身生活中许多事件——它们在我对睡眠的思考中留下了持久印记（见本章后文）。

Vertes 与 Siegel 自 1990 年代以来一直反对睡眠中的记忆巩固概念。由于他们的声音相当孤立，他们联合了彼此的努力。与「主流建制」多年交锋之后，他们于 2005 年在期刊 Sleep 上发布了如下呼吁：《Time for the Sleep Community to Take a Critical Look at the Purported Role of Sleep in Memory Processing》（Vertes and Siegel 2005[155]）。以下是 Vertes 与 Siegel 提出的若干要点：

1. 睡眠在陈述性记忆中不起作用？

的确，就这一点而言，研究似乎相当矛盾。某一天学到的词汇，其回忆似乎不会被接下来一夜的缺觉显著影响（除非是在睡眠剥夺之后的几天）。不过，所有研究论文都应当被筛查两点重要观察：

  1. 仅凭观察输入与输出的关系，很难知道黑箱内部发生了什么。转换函数可能保持不变，而自动机的内部工作方式却发生变化。打个比方，睡后的大脑可以类比为完成磁盘碎片整理后的计算机：转换函数相同，但运作方式不同。

  2. 如果我们把睡眠视为一种神经优化器，且双网络理论正确，那么我们就应该关注缺觉的长期效应。如果睡眠的目的在于避免灾难性干扰，那么只测试睡后或不睡后的记忆状态并不够；我们还需要有足够长的清醒期，并包含进一步学习。一个简单的思想实验足以说明：睡眠对陈述性记忆至关重要——谁能指望在连续一两夜不睡后还能进行任何有意义的学习？这不仅仅是疲劳问题；哪怕几分钟的深睡，似乎也会在我们吸收新知识的能力上造成天壤之别。借助 SuperMemo 获得的数据明确无疑地表明：睡眠是让人类记忆“断电重启”以接纳新输入的惊人工具！

2. REM 睡眠剥夺不会导致认知受损？

Vertes 与 Siegel 写道（节选）：

多条证据表明：REM 睡眠不参与记忆处理/巩固。也许最强的论据在于：对脑干病变个体或服用抗抑郁药的个体而言，REM 睡眠的显著抑制乃至消除，对认知并无不利影响。一个经典案例是一名以色列男子：19 岁时脑干受损，33 岁接受检查时未表现出任何 REM 睡眠。此人如今 55 岁，是一名律师、一名画家，并且有趣的是，他还是一家以色列杂志的字谜专栏编辑。Peretz Lavie 最近评论他的「著名」病人时说：「他可能是我所认识的最正常的人，也是最成功的人之一。」

REM 睡眠在进化起源上比睡眠整体更「年轻」，它也许确实只是更聪明动物的一种额外精神附加。与睡眠剥夺相比，REM 睡眠剥夺在大鼠身上导致的死亡要晚得多（按月计而非按周计）。药物抑制 REM 并不会导致严重的认知衰退。然而，这不能被用来贬低 REM 的重要性。人类在一夜不睡后也能表现得相当不错。一夜不睡后，世界领导人也常做出影响数十亿人的决策。这并不削弱睡眠的重要性。借助 SuperMemo 获得的数据表明，睡眠剥夺对学习具有戏剧性影响。

至于那位以色列「无 REM」男子，我们需要确切知道 REM 控制系统的哪一部分受损。毕竟，REM 的表达是复杂且多线程的，我们并不清楚这套复杂过程中的哪些组成部分对哪些记忆与创造力维度最为关键，也不清楚这些组成部分在多大程度上会以 EEG、肌张力消失，或其他 REM 要素所呈现的「表型」被我们解释——而这些要素可以在各种 REM 障碍中分离，甚至在健康人群中也会分离（例如盲人的 REM）。我们在这里可能面对的是一个 REM 子集：它足以保留合理的认知能力。如今，神经科学家倾向于从「REM 与做梦的联系」转向更解剖学的路径（例如脑桥脑干活动与做梦之间的联系）。「过正常生活」是一个非常弱的认知评估测试（无论是创造力、助记能力等）。毕竟，数百万人用闹钟摧毁他们 REM 丰富的睡眠，却仍能过「正常」生活。即便是海马体受损、短期记忆能力被破坏的人，在对话中也可能表现得很「正常」。大脑的代偿能力极其强大。按照 Buzsáki 的观点，REM 睡眠可能是主要优化器：它帮助把从新皮层获得的模式加载到海马体回路，以便在随后的 NREM 睡眠中重写记忆。如果把这一解释纳入考虑，那么 REM 剥夺或许仍允许「正常」生活，但一个人的创造性洞见会显著下降。我们还需要区分推理型创造力与画家式的艺术创造力。艺术创造力实际上可能受益于一定程度的信息混沌（TMS 实验显示：抽象思维减弱有助于创造性的艺术表达，这是一个明确的神经权衡）。从解读 SleepChart 图表得到的轶事证据，似乎表明：睡眠错位会导致 REM 睡眠占比按预期下降，这确实会影响认知表现；也许更重要的是，它会影响健康醒来应当具有的创造性洞见。睡前饮酒或使用大麻的情况也并无不同。正如我们不能忽略单个 REM 不表达的数据点，我们也不能忽略来自 SleepChart 报告的多个轶事数据点。

3. 睡眠依赖的程序性学习增强尚未被证明？

理论上，由于程序性学习具有随机性（stochastic）特征，它从睡眠中受益应当比陈述性学习更大，因为这为神经优化提供了更多空间。因此，睡前与睡后的差异应当更明显。然而，我无法用 SuperMemo 来验证，因为它通常并不用于程序性学习。我只能依赖其他来源的报告。例如，Matthew Walker 博士的研究就相当有说服力。我在这里有点困惑。与他在所讨论论文中的立场相反，Siegel 本人似乎在 WebMD 表示：「关于程序性学习的研究清楚表明：只有睡过之后才会出现改进。」并且后来又说：「研究显示，当学习与肌肉相关的任务——如跳舞、弹钢琴、体操——在一夜睡眠之后会有显著提升。」也许答案来自这样一个事实：这次访谈发生在 2001 年。

4. 清醒中的学习远比隔夜增强更重要？

Vertes 与 Siegel 写道：「尽管我们认为『增强』这一概念是违反直觉的（仅凭时间流逝就导致学习改善），但问题在于：与对任务的练习相比，『增强』对整体表现改善的贡献有多大。[…] 我猜睡眠贡献很小。」

对我而言，隔夜改善学习效果并不比「高强度锻炼后懒睡时肌肉增长」更违反直觉。认为学习最好在清醒中完成的直觉，正是（不那么优秀的）学生所奉行短期学习策略的基础：考试前通宵似乎是个好主意。毕竟，考前死记硬背能做的事情，比人们从隔夜「巩固」中所期望的更多。然而，如果把这种想法延伸到仅仅两天，就会发现：没有睡眠就没有学习。这不仅仅是休息问题。如果我们采用 Walker「收件箱（Inbox）溢出」的隐喻，就能看出：缺少一晚的「增强」不会造成太大损害。每个人都能在一两天不清空收件箱的情况下应付邮件；很多人甚至会让收件箱堆满数周或数月。然而从长期看，鼓胀的收件箱会导致重要邮件永远得不到回应。学习也是如此（包括程序性学习）。长期来看，混沌的叠加力量会使进一步进展几乎不可能。因此，单独一夜也许无关紧要；但若没有睡眠中发生的神经优化，我们的创造性思考能力或获取新技能的能力，终将达到饱和点，学习进度也会逐步停滞。

把清醒中的学习过程的价值与贡献，与隔夜优化的价值进行比较，就像量化大脑与心脏对生存的贡献一样：即便大脑更「耀眼」更「显眼」，也无关紧要。两个器官都至关重要，缺一不可。同样，清醒与睡眠对学习与记忆都至关重要。

5. 睡眠模型应当简洁

一如既往，lex parsimoniae 是科学中有用的指引。睡眠作为神经优化器这一概念似乎满足「令人信服的简洁性」标准。研究 PGO 波、theta 节律或睡眠纺锤波也同样重要，因为它们为简洁模型提供原始数据。毕竟，如果没有 EEG，我们最初就不会把 NREM 与 REM 区分开来。而这两种睡眠模式似乎为关键的优化相互作用提供了基础。此外，脑电波是细胞群体行为的表达，在同步模式下，它们可能指示着某些重要生理功能正在进行。我在这里又有点困惑，因为 Vertes 曾写道：「我们提出：theta 用于门控（gate）和/或增强与 theta 同步到达海马体的信息存储。在清醒状态，『随 theta 到达的信息』由情境所支配；即与 theta 时间锁定的内外事件之和。」（Vertes 1995[156]）。为什么对清醒状态的脑波功能进行假设是可以的，而对睡眠却不可以？睡眠提升记忆并不仅仅因为神经优化；无干扰与再生也都发挥着作用。然而，它们无法解释睡眠对学习的所有影响。我们需要牢记进化（见关闭测试）与睡眠的神经层面（例如为什么 5 分钟午睡会对一个人的学习能力产生巨大差异）。Siegel 的理论：「睡眠的主要功能是通过控制一个物种与周围环境相关的行为，来提高动物效率并将风险最小化」足够简洁。而睡眠中的神经优化正是在做这件事：提高动物效率。

REM 中的随机冲动如何在梦里变得有意义？

就像早期的进化反对者困惑于随机突变如何能导致人类这种奇迹的出现一样，一些睡眠研究者也困惑于：随机的 REM 冲动（impulsation）怎么可能对学习或其他方面有益。Robert P. Vertes 说：「问题似乎在于：与清醒不同，清醒时到达海马体的信息性质基本由行为环境决定；而在 REM 睡眠中，似乎没有机制来选择并有序地将信息传递到海马体。如果确实如此，并且 REM 的传递过程并不有序、基本随机（从对梦的最随意观察中也能得出这一结论），那么该过程对动物似乎没有任何功能价值；对一系列随机排序、彼此无关事件进行编码或『记住』似乎也没有任何好处。」于是他提出一个假说：「快速眼动（REM）睡眠的主要功能，是为大脑提供周期性的内源性刺激，以在整个睡眠期间维持中枢神经系统（CNS）活动的最低必要水平。」（Vertes 1986[157]）。这自然会引出「那为什么一开始要睡？」这一问题；随后基于研究与进化筛选，我们又会回到「睡眠对记忆有效运作的需要」，并回到 REM 作为主要网络优化器。另见 Vertes, R.P. and Eastman, K.E.《The case against memory consolidation in REM sleep》（Vertes and Eastman 2000[158]）。关于随机性与伪模式在神经网络之间传递信息中的作用，见睡眠中的神经优化。自然界中自组织的例子多得数不完：晶体生长、蛋白质折叠、鸟群聚集，乃至生命本身。复杂系统可以通过应用一套简单规则从混沌中涌现。大脑可以把云中的随机形状转换成生动的图像与联想。视觉系统在立体视觉中并置矛盾数据时也能创造奇迹。神经网络可以在数据极少的情况下识别人脸。与计算机不同，大脑擅长提取模型、产生远程联想并化解矛盾。这些能力对睡眠中重组网络、并演练假设性的生存情景至关重要。

Siegel 博士的睡眠理论

Siegel 博士提出了自己的睡眠理论。以下是 Siegel 博士的几条陈述，它们与我对睡眠生理学与进化的理解并不一致：

  • 「睡眠不过是一种提高动物效率的好方式，例如只在狩猎条件良好时才去狩猎，并将风险降到最低。」若仅针对这一表述，那么只需要复杂睡眠控制机制中极小的一部分就足以实现 Siegel 博士提出的睡眠功能。例如，在合适的「睡眠」时段，只要让动物保持清醒但像 REM 睡眠那样被麻痹即可。其余睡眠控制都只是时间与资源的浪费。我们为什么需要与慢波活动相关的、稳态的睡眠控制？仅靠昼夜节律控制就够了。甚至还有更简单方案：对光照可用性做出稳态反应。对于昼行性物种，只要光线足够长时间不可用，动物就直接麻痹倒下。

  • 「体型更小的动物代谢率更高，因此会产生更高水平的小型高反应性分子，例如自由基。对大鼠的研究显示，当它们被剥夺睡眠时，其氧化应激会增加。」氧化应激的确会随活动增加，但关闭意识并不能帮助恢复。大脑在睡眠中与清醒时一样努力工作。这些工作并不是为了降低氧化应激，而是为了确保所有网络准备就绪——其中包括通过稳态机制对抗氧化应激的影响。

  • 「我的理论并不意味着睡眠中不会发生重要事情——它只是意味着睡眠没有一个关键的普遍功能。」以及：「在一些动物中，有一整套事情在睡眠中比清醒时完成得更好，例如消化食物，但这并不意味着睡眠的功能是消化。」进化告诉我们，如果某个功能在数百万年中被保留，那几乎保证其背后存在一个关键的底层成分。所有由较小适应性功能拼凑而成的聚合体都会解体、成形、突变、修改、被抹除或被放大、分裂或合并。消化或呼吸功能可能在某些情境下同步，而在不同的进化设定中分道扬镳。正是神经优化让睡眠在数百万年中始终是动物生命不可避免的一部分。

  • 「睡眠与广泛物种中观察到的非活动状态有很多共同之处。这包括植物与简单微生物，而它们在许多情况下并没有神经系统——这对『睡眠是为了大脑』这一观点构成挑战。」我们都知道睡眠被钩在昼夜节律上。这意味着昼夜节律功能比神经功能更古老。这也意味着：存在一些原始生物，它们表现出昼夜节律却并不睡眠。然而，要让 Siegel 的逻辑成立，他必须指出那些拥有复杂神经系统却不睡眠的生物。

  • 「睡眠位于一个连续谱上：从麻木状态（如 torpor 与冬眠），到迁徙期间那样的连续活动、完全不睡。」睡眠是休眠状态连续谱的一部分，并占据最先进、最极端的位置。睡眠是进化成功的巅峰，支撑着我们文明中的创造性成分。

我的个人偏见

我提过我的个人偏见。

个人轶事。为什么使用轶事？

我人生中的一件事曾让我困惑不解，并留下了持久印记。那大概是 1980 年。我那台共产主义制造的收音机-录音机坏了。我不可能在没有重口味黑色放克（heavy black funk）的日子里活下去，于是我拼命想修好它。然而折腾了半天，我已到了山穷水尽的地步。极度失望之下，我去睡觉了。第二天早晨醒来时，我意识到自己大概在梦里想着如何修理。我甚至朦胧地记得：我梦到过其中一个修理技巧，它成功让录音机起死回生。等我彻底清醒后，我确信自己是在睡眠中发现了修理方法。起床后第一件事，我就尝试了这个方法。录音机复活了！有人在睡梦中遇见上帝，有人则声称被 UFO 绑架。梦可以鲜活而令人信服，它们会在许多年里影响一个人的生活与信念。那一天，我变得在认知上带有偏见：认知偏差让我更倾向于相信：睡眠会在我们的心智中产生新的品质！这些年里，我不断注意到类似的「隔夜突破想法」，它们常出现在一天未能成功解决问题之后。我不断确认：早晨的大脑状态与晚上的大脑状态完全不同。我不断听到数十乃至数百个轶事：发明是在尝试失败一天之后、第二天早晨出现的。是的，我有偏见。基于这些轶事证据，我毫不怀疑：大脑在睡眠中进行高强度的记忆加工（另见：Sleep inspires insight（Wagner et al. 2004[159]））。更多想法见：自然创造力周期与如何解决任何问题？

橄榄枝

Mathew Walker 在 2009 年做出了如下预测：

我们很快会拥有一套新的、关于「睡眠依赖的记忆加工」的分类学，它将超越过去那种两极化的「全有或全无」观点（Stickgold and Walker 2005[160]；Vertes and Siegel 2005[155]）。有了这些发现，我们可以重新理解：清醒与睡眠如何在一种共生联盟中结合起来，协调我们记忆的编码、巩固与整合；其最终目标或许是创建一套概括性的已存知识目录，而不依赖于对所有既往所学事实的冗长保留。（Walker 2009[138]）

给怀疑者的更多阅读

如果你对 Vertes 与 Siegel 博士们的观点感兴趣，见：