质疑记忆优化的科学家
本文节选自：《睡眠的科学》，作者：彼得·沃兹尼亚克（2017）
睡眠是神经优化器吗？
《Science》2001 年 11 月 2 日刊收录了一组关于睡眠生理学的对立文章，给有关睡眠作用的学术争论火上浇油。当人们在试图揭开睡眠这一复杂神经优化过程的细节、并有望取得重大突破之际，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、美国退伍军人事务部睡眠研究中心的 Jerome M. Siegel 博士分析了睡眠作用的证据，得出的结论是：……证据不足！在一本多年来被视为最高科学权威的期刊上，一系列条理清晰的证据，驳斥了「睡眠在记忆巩固中发挥作用」（Siegel 2001[152]）这一观点。Siegel 承认睡眠具有重要的进化功能，但在当时并未给出可行的替代方案，来取代 Stickgold、Hobson 与 Maquet 在同一期《Science》中提出的观点。（Stickgold et al. 2001[153]，Maquet 2001[154]）。
在其后续著作中，Siegel 提出了自己的睡眠理论：「睡眠不过是一种提高动物效率的有效方式，例如只在狩猎条件良好时才去捕食，并将风险降到最低。」我之前提到过，该理论无法通过关机测试。事实上，只需要让动物保持清醒但肌张力消失（atonic），就足以满足 Siegel 关于「睡眠在进化过程中得以保留」的标准。更多关于 Siegel 理论的内容见：Robert Vertes 与 Jerome Siegel。
在科学中，所有对立观点的背后，都存在一个根本的信念或模型，它只是后来才被已有的纷杂证据所强化或混淆。睡眠在学习中的作用，其根源来自一种进化解释：我们确有必要花费人生中三分之一的时间让心智思维得以喘息。反对「睡眠在记忆巩固中发挥作用」的人，其出发点在于一个难以调和的困境：无意识的大脑可能参与了学习，而学习似乎又需要有意识的心智。一些研究者否定那些有关「睡眠在学习中的作用」的研究结论，认为不过是睡眠剥夺导致的压力所带来的副作用。另一些研究者则声称，睡眠对学习的帮助不过是「刷新」了心智思维并恢复能量储备。在一团杂乱的数据之中，NREM 与 REM 睡眠的功能、程序性与陈述性学习、记忆巩固 与记忆优化、短期与长期记忆、间隔效应与遗忘和干扰、动物与人类研究、压力与无压力的研究方法……异议之声永远有着一席之地。只有借助强大的计算模型和明确的实验模型，才能减少就「睡眠在学习中的作用」这一问题上吹毛求疵的空间。在那之前，你会听到许多令人困惑的声音。
Robert Vertes 与 Jerome Siegel
在「睡眠于记忆中的作用」这一问题上，Jerome Siegel 并不是唯一的异议者。Robert Vertes 也是一位声誉卓著的睡眠研究者。Siegel 与 Vertes 分别来自美国东西海岸（分别是：佛罗里达大西洋大学博卡拉顿校区的复杂系统与脑科学中心，以及加州大学洛杉矶分校医学院精神病学系）。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」这一根深蒂固观点的战斗中联合了起来（哪怕依旧是以寡敌众的少数派）。他们对 Stickgold 博士在关于「睡眠参与学习」的辩论中给众人留下「争论已然结束」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 博士与 Siegel 博士的担忧。
所有科学家，包括最杰出的那些，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：人在一生中，很难在记忆里积累超过几十万条知识。与此同时，人们常说，要配得上「专家」这个称号，需要在某一领域掌握大约 50,000 条知识。难怪所有专家最多只能真正掌握一个领域——这个领域会渗透进他们所有思考之中，即便他们再掌握其他领域的 50,000 条知识，核心领域的思维仍然会渗透一切。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经很困难，更别说两个或更多了。
只有「专家式偏见」才能解释——为什么该领域的顶尖科学家会与领域中同样聪明的其他专家意见相左。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。我的偏见来自多年来涉足记忆与学习领域的经历、我在计算机科学方面的背景，以及我自己生活中的许多事件——它们在我对睡眠的思考上留下了持久的印记（见本章后文）。
自20世纪90年代以来，Vertes 与 Siegel 一直反对睡眠有助于记忆巩固这一观点。由于他们的声音相当孤立，支持者寥寥，于是便联合起来。在与「主流观点」多年交锋之后，他们于 2005 年在期刊 《Sleep》 上发布了如下呼吁：《睡眠学界该批判性地审视睡眠在记忆加工中的所谓作用了》（Vertes and Siegel 2005[155]）。以下是 Vertes 与 Siegel 提出的若干观点：
1. 睡眠在陈述性记忆中不起作用？
实际上，在这方面，研究似乎颇为矛盾。某一天学到的词汇，其回忆似乎不太受第二天晚上睡眠不足的影响（除非学习发生在睡眠剥夺之后的几天）。然而，所有研究论文都应该被仔细筛选，以找出两项重要的观察结果：
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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，但自动机内部的工作方式会发生变化。打个比方，睡后的大脑可以类比为磁盘碎片整理后的计算机。两者转换函数相同，但（内部）实现方式不同。
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如果我们把睡眠视为一种神经优化器，且双网络理论是正确的，那么我们就应该关注睡眠缺失的长期影响。如果睡眠的目的在于避免灾难性干扰，那么只测试睡眠后或睡眠剥夺后的记忆状态并不够。我们还需要考虑一个足够长的、包含进一步学习的清醒期。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——谁能指望在一两个不眠夜后还能进行任何有意义的学习呢？这不仅仅是疲劳问题，哪怕几分钟的深睡，似乎也会让我们吸收新知识的能力产生天壤之别。从 SuperMemo 中获得的数据明确表明：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（简略版）：
就进化起源而言，REM 睡眠比整体睡眠更「年轻」，它可能确实只是为更聪明的动物提供的一种心智附加物。与（完全的）睡眠剥夺相比，REM 睡眠剥夺在大鼠身上导致的死亡时间要晚得多（以月计而非以周计）。药物抑制 REM 睡眠并不会导致认知能力的急剧下降。然而，这不能被用来贬低 REM 睡眠的重要性。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。这并不会削弱睡眠的重要性。通过 SuperMemo 获得的数据表明，睡眠剥夺 对学习有显著影响。
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 睡眠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部分对记忆与创造力最为关键，以及这些成分在现象学上表现到何种程度——这些表现是通过脑电图、肌张力丧失或其他 REM 睡眠构成要素来解读的，而这些要素在各种 REM 障碍者甚至健康人群中（例如盲人的 REM 睡眠）都可能发生解离。我们在这里可能面对的是一个 REM 子集：它足以维持合理的认知能力。如今，神经科学家倾向于从关注 REM 与做梦的联系转向更注重解剖学的方法（例如脑桥脑干活动与做梦之间的联系）。「过正常生活」对于认知评估、创造力、记忆能力等来说是一个非常薄弱的测试。毕竟，数百万人用闹钟摧毁他们富含 REM 的睡眠，却却仍然过着「正常」的生活。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出具有欺骗性的「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量，那么 REM 剥夺或许仍允许「正常」生活，但一个人的创造性洞见能力会显著下降。我们还需要在此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 SleepChart 图表解读得到的轶事证据，似乎表明：睡眠节律紊乱会导致 REM 睡眠比例出现预期性下降，这确实会影响认知表现；而且可能更重要的是，它会影响本应作为健康（睡眠）唤醒特征的创造性洞见。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无 REM 睡眠的数据点，我们也不能忽略来自 SleepChart 报告的多个轶事证据数据点。
译注：轶事证据指基于少量个体经历且未经科学验证的证据，通常表现为非系统性观察或主观回忆，其可靠性常因样本偏差和外部干扰受质疑。
3. 睡眠对程序性学习的增强作用尚未被证实？
理论上，由于程序性学习具有随机性特征，理应比陈述性学习更能从睡眠中获益。它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加显著。然而，我无法用 SuperMemo 来验证这一点，因为它通常不用于程序性学习。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。关于如下这点，我有些不解——与他（Siegel）在那篇被讨论的论文中所持的立场相反，Siegel 本人显然曾对 WebMD 表示：「关于程序性学习的研究清楚表明，（程序性学习）只有在睡眠过后才能得到提升。」随后他又说：「研究显示，在学习诸如舞蹈、钢琴演奏、体操等涉及肌肉的任务时，经过一夜睡眠，会有显著改善」。也许答案来自这样一个事实：这次访谈发生在 2001 年。
译注：WebMD 是美国权威的健康与医疗资讯网站，内容由认证医师团队审核发布。
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（即学习仅随时间流逝就能得到改善），但问题在于，与任务练习相比，『增强』对整体表现的改善有多大贡献〔……〕我的猜测是，睡眠的贡献微乎其微。」
对我而言，在一夜之后，学习效果能得到提升，并不比在高强度锻炼后睡个懒睡，肌肉能获得增长更反直觉。认为学习在清醒时效果最佳的直觉，正是许多（不那么优秀）学生所奉行的短期学习策略的基础：考试前通宵似乎是个好主意。毕竟，考前突击学到的内容，远比单靠一夜「巩固」所能指望的要多。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 那个「收件箱溢出」的隐喻，就能看到，缺少一晚的「增强」并不会造成太大损害。每个人都能在一两天内处理好自己的邮件，即使不清空收件箱也无妨；很多人甚至会让收件箱堆积如山，持续数周或数月。然而从长期来看，溢出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）。从长远看，混乱不断累积，最终使得进一步的进展变得绝无可能。因此，单独一夜也许无关紧要；但假若没有睡眠中发生的神经优化，我们的创造性思维能力或获取新技能的能力，在某个时刻就会饱和，学习进展也将停滞不前。
试图将清醒时学习的价值及贡献，与夜间优化的价值进行比较，无异于量化大脑与心脏对生存的贡献一般：即便大脑提供了那些壮丽而显眼的功能，也无关紧要。两个器官都不可或缺。同样，清醒与睡眠对学习和记忆都至关重要。
5. 睡眠模型应当简洁
一如既往，「简约原则」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 节律或睡眠纺锤波同样重要，它们为简洁模型提供原始数据。毕竟，如果没有脑电图，我们最初就不会将 NREM 睡眠与 REM 睡眠区分开来。而这两种睡眠模式似乎为关键的相互作用优化提供了基础。此外，脑电波是细胞群体行为的表达，在同步模式下，它们可能暗示着某些重要的生理功能正在进行。我在这里又有些不解，因为 Vertes 曾写道：「我们提出，theta 波作用于门控与/或增强（gate and/or enhance）那些与其同步到达海马体的信息，并影响它们的存储。在清醒状态，『随 theta 波到达的信息』由情境所支配；即与 theta 波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，而对睡眠状态却不可以？睡眠能改善记忆，不仅是因为神经优化；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。我们需要谨记演化因素（如关机测试所揭示的）；同时也不能忽视睡眠的神经机制——为什么短短5分钟小睡，就能让学习能力有天壤之别？Siegel 的理论：「睡眠的主要功能是通过控制物种在其周围环境中的行为方式，来提高动物效率并将风险最小化」，这一理论足够简洁。而睡眠中的神经优化正是在做这件事：提高动物效率。
译注：「简约原则」拉丁语 lex parsimoniae，类似于奥卡姆剃刀原则（如无必要，勿增实体）。
REM 睡眠中的随机神经冲动，如何在梦境中产生意义？
正如早期进化论的反对者困惑于随机突变怎能造就人类这一物种奇迹一样，一些睡眠研究者也同样困惑：随机的 REM 冲动，怎可能对学习或其他活动带来益处呢？Robert P. Vertes 说：「问题似乎在于，清醒状态下，到达海马体的信息本质基本由行为环境决定；而在 REM 睡眠中，好像缺乏一种机制来对信息进行选择并将其有序地传递给海马体。」如果情况果真如此，并且 REM 的传递过程并非有序、甚至基本随机（哪怕只对梦境作最粗略的审视，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「记忆」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，以维持整个睡眠期间中枢神经系统（CNS）活动所需的最低必需水平。」（Vertes 1986[157]）。这自然会引出一个问题：「那为什么一开始要睡觉？」；而后，基于研究与进化筛选的逻辑，又将我们拉回到「睡眠之于记忆有效运作的必要性」上，并回归到 REM 睡眠作为主要的（神经）网络优化器。另见 Vertes, R.P. 与 Eastman, K.E.的《反对 REM 睡眠中发生记忆巩固的论述》（Vertes 与 Eastman 2000[158]）。关于随机性及伪模式在神经网络间信息传递中的作用，见睡眠中的神经优化。自然界中自组织（self-organization）的例子不胜枚举：晶体生长、蛋白质折叠、鸟群聚集，乃至生命本身。复杂系统可经由一套简单规则的运用而从混沌中涌现。大脑可以把云朵中的随机形状转换成生动的图像和联想。在立体视觉中，视觉系统竟能将并置的矛盾信息巧妙融合，创造奇迹。神经网络仅凭极少一部分可用数据，就能识别人脸。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。这些能力对于在睡眠中重组网络、演练假设性的生存情景至关重要。
译注：「在立体视觉中……」一句中，「矛盾信息」指双眼因位置不同而接收到的、存在细微视差的两幅图像；大脑通过融合这种差异，重构出深度感和立体感。
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 博士的几条论述，它们与我对睡眠生理学及进化的理解并不一致：
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「睡眠不过是一种提高动物效率的有效方式，例如只在狩猎条件良好时才去捕食，并将风险降到最低。」若仅针对这一表述，那么只需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躯体被麻痹即可，就如 REM 睡眠中那样。睡眠控制的其余所有部分，都纯粹是时间和资源的浪费。我们为何还需要与慢波活动相关的睡眠稳态控制呢？仅靠昼夜节律控制就够了。甚至还有更简单的方案：对光照的有无做出稳态反应。对于昼行性物种，只要光照消失的时间足够长，动物就会瘫倒不动。
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「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活性分子，例如自由基。对大鼠的研究显示，当它们被剥夺睡眠时，其氧化应激水平会上升。」氧化应激水平的确会随活动而升高，但关闭意识并不能帮助其恢复。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水平，而是为了确保所有网络准备就绪，以便通过稳态机制等手段来对抗氧化应激的影响。
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「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不可或缺的通用功能。」以及：「在一些动物中，一系列活动在睡眠中比清醒时进行得更顺利，例如消化食物，但这并不意味着睡眠的功能就是消化。」进化告诉我们，若一种功能历经数百万年仍被保留，那几乎可以肯定其背后存在着一个关键的核心要素。所有由适应性较弱的功能拼凑而成的聚合体都会解体、成形、突变、修改、分裂与合并、被抹除或被放大。消化或呼吸功能可能在某些情境下同步，而在不同的进化环境中分道扬镳。正是神经优化让睡眠在数百万年中始终是动物生命中无可回避的一环。
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「睡眠与可在多种生物中观察到的休眠状态有诸多共通之处。这包括植物与简单微生物，它们大多没有神经系统——这对『睡眠是为了大脑』这一观点构成挑战。」我们都知道，睡眠与昼夜节律是紧密勾连的。这意味着，昼夜节律功能比神经功能更古老。即：存在一些原始生物，它们表现出昼夜节律却无需睡眠。然而，要让 Siegel 的逻辑成立，他必须指出，哪些拥有复杂神经系统的生物是不需睡眠的。
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「睡眠位于一个连续谱上：从静止状态（如蛰伏与冬眠），到迁徙期间一直到没有任何睡眠的持续活动时期。」睡眠是静止状态连续谱的一部分，并占据最先进、最极端的位置。睡眠是进化成功的顶点，支撑着我们文明中的创造性部分。
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，并留下了长久的烙印。那大概是 1980 年。我那台共产主义国家制造的收录机（radio-tape-recorder）坏了。我无法在没有厚重、地道的黑人放克音乐的日子里活下去，所以我竭尽全力想修好它。然而折腾了半天，我已无计可施。极度失望之下，我去睡觉了。第二天早晨醒来时，我意识到，自己大概在梦里还在琢磨怎么修好它。我甚至隐约记得，梦里有个修理窍门，它成功让收录机起死回生。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。收录机复活了！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，它们会在往后多年影响一个人的生活与信念。自那天起，我对睡眠能为心智带来新的特质这一信念产生了认知偏见。这些年里，我不断注意到类似的「隔夜顿悟」，在一夜睡眠后，白天苦思无果的问题迎刃而解。我不断确认到：早晨的大脑与晚上的大脑，状态完全不同。我不断听到数十乃至数百则轶事：在苦试一天未果后，发明却在翌日清晨完成。没错，我心存偏见。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：睡眠启发洞见（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？
译注：作者这里特意提到共产主义国家（波兰）制造的收录机，是因为放克音乐在那个年代仍属于「西方」国家的音乐。
橄榄枝
Mathew Walker 在 2009 年做出了如下预测：
我们很快将迎来一套关于「基于睡眠的记忆加工」的新分类体系，它将取代过去那种两极化的「全有或全无」观点（Stickgold 与 Walker 2005[160]；Vertes 与 Siegel 2005[155]）。基于这些发现，我们可以重新理解：清醒与睡眠如何结成共生联盟，协调我们记忆的编码、巩固与整合；其最终目的或许是构建一套通用的知识目录，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资料
如果你对 Vertes 博士与 Siegel 博士的观点感兴趣，见：
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大量 Siegel 博士的有趣著作：http://www.semel.ucla.edu/sleepresearch
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