睡著時也睡

“這真是千真萬確：我一直都在昏睡中度過一生。我的身體麻木得像一具溺水的屍體。我的存在，我在這個世界上的生活，都像一場幻覺。一陣強風會讓我覺得我的身體即將被吹到天涯海角，吹到一個我從未見過或聽說過的國度，在那裡我的思想和身體將永遠分離。”

——摘自村上春樹1989年的作品《睡眠》

我們都經歷過。 你上床睡覺，閉上眼睛，放空思緒，等待意識消退。過了一段無時間間隔的時間後，你醒來，精神煥發，準備迎接新一天的挑戰（注意你是永遠無法捕捉到自己失去意識的那一刻的！）。但有時你的內心世界並沒有關閉——你的思緒仍然高度警惕。你輾轉反側，卻找不到睡眠帶來的幸福解脫。失眠的原因可能有很多，但後果始終如一：第二天你會感到疲憊，你會感到睏倦，你會打盹。注意力渙散，反應時間減慢，你的認知-情緒控制力下降。幸運的是，疲勞是可逆的，經過一兩個晚上的充足睡眠後就會消失。

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我們一生中大約有三分之一的時間處於靜止狀態，其定義是相對的行為靜止和對外部刺激的反應降低。累積起來，這相當於普通人一生中數十年的睡眠時間。啊，我知道你在想，如果我們減少這些“浪費”的時間來做更多的事情，那該有多好！當我年輕的時候，我也信奉“死了才能好好睡覺”的座右銘。但我已經醒悟到，為了獲得最佳的長期身心健康，我們需要睡眠。

人類與所有多細胞生物都有這種每日睡眠的需求，任何與狗、貓或其他寵物一起長大的人都知道這一點。

透過思考睡眠的生物學過程本身，可以觀察到對睡眠重要性的理解。睡眠受到穩態的精確調節：在白天，睡眠壓力會逐漸積累，直到我們在晚上感到睏倦，不斷打哈欠和打瞌睡。如果被剝奪睡眠，人類會體驗到一種最終無法抗拒的尋求休息的需求——事實上，他們會變得“醉眠”。一個更古老的19世紀術語，更接近真相，是“腦力衰竭”，大腦要求休息。

在我的上一篇“意識再探”專欄中，我描述了臨床醫生如何透過記錄來自放置在睡眠者頭皮上的腦電圖（EEG）感測器網路的大腦電波來定義睡眠[參見下圖]。就像海面一樣，大腦的電活動不停地騷動，反映了頭骨下大腦皮層中看不見的微小震顫，這些震顫被腦電圖電極拾取。快速眼動（REM）睡眠的特徵是低電壓、斷斷續續、快速變化的大腦電波（矛盾的是，這也是放鬆清醒狀態的典型特徵），而非快速眼動睡眠的特徵是緩慢上升和下降的較大振幅的電波。實際上，睡眠越深、越安穩，反映大腦空轉、恢復性活動的電波就越慢、越大。這些電壓振盪，被稱為δ波，可以慢至每四秒一次，快至每秒四次（即在0.25至4赫茲的頻率範圍內）。在深度睡眠期間，對單個神經元的放電進行調整，可以發現離散的關閉期，此時神經細胞停止產生任何電活動300至400毫秒。這種在大部分皮層同步發生的週期性靜默期是深度睡眠的細胞學標誌。

微睡眠

我的上一篇專欄“半腦睡眠”強調了睡眠研究人員日益增長的認識，即清醒和睡眠並非全有或全無的現象。僅僅因為你睡著了，並不一定意味著你的整個大腦都睡著了。相反，正如我現在將要描述的那樣，我們也瞭解到，即使當你清醒時，你的整個大腦也可能沒有完全清醒。

睡眠侵入清醒狀態的一個例子是被稱為微睡眠的短暫睡眠 эпизоды。這些間隔可能發生在任何單調的任務中，無論是長途駕車穿越全國，還是聽演講者滔滔不絕地演講，或者是參加又一次沒完沒了的部門會議。你昏昏欲睡，眼睛開始下垂，眼皮合上，頭反覆上下點頭，然後猛地抬起：你的意識短暫喪失。

在一項試圖探索這種情況的實驗中，參與者必須用操縱桿在電腦顯示器上跟蹤一個隨機移動的目標，持續50分鐘。雖然很簡單，但這種視覺運動任務需要持續不斷的注意力，過一段時間後就難以維持。事實上，平均而言，參與者每小時發生79次微睡眠 эпизоды，每次持續1.1到6.3秒，並伴隨有績效下降。微睡眠在腦電圖記錄中表現為從以α波段（8到13 Hz範圍）為主的活動向下轉移到θ波段（4到7 Hz）的振盪。

有害的是，受試者通常認為自己在微睡眠期間始終保持警覺，而沒有回憶起任何失去意識的時期。這種誤解對於駕駛座上的人來說可能是危險的。當駕駛或操作火車或飛機等機械時，微睡眠可能是致命的，而且往往是漫長而乏味的。在微睡眠 эпизоды 期間，整個大腦會短暫地進入睡眠狀態，這就提出了一個問題，即大腦的某些部分是否可以自行進入睡眠狀態，而無需整個器官都陷入睡眠。

事實上，在威斯康星大學麥迪遜分校研究睡眠和意識的義大利裔神經科學家 Chiara Cirelli 和 Giulio Tononi 在實驗動物中發現了“睏倦的神經元”，這些神經元沒有表現出睡眠的行為表現。在這項研究中，11只成年大鼠的前額運動皮層（控制運動）植入了微絲。感測器插入皮層組織後，除了附近神經細胞的尖峰活動外，還拾取了稱為區域性場電位（LFP）的電壓，類似於腦電圖。正如預期的那樣，當清醒時，LFP 主要由低振幅、快速波組成，很容易與非快速眼動深度睡眠的較大和較慢的波區分開來[參見下方方框]。

在單個神經元水平上，清醒動物的皮層細胞以不規則、斷斷續續的方式長時間地聊天。相反，在深度睡眠期間，皮層神經元經歷了明顯的神經活動“開啟”期和“關閉”期，在此期間它們是沉默的。這種神經元沉默同時發生在整個皮層。它與有規律的開啟期交替出現，導致上升和下降的大腦電波，這是深度睡眠的標誌。

瞭解了這一切，研究人員決定進一步探索。實驗人員沒有讓大鼠在通常的就寢時間睡覺，而是讓動物們參與齧齒動物版的深夜影片遊戲，不斷地讓它們接觸玩具和其他物體，讓它們嗅、探索和玩耍。他們敲擊籠子，並以其他方式阻止它們採取睡眠姿勢或變得昏昏欲睡。經過四個小時的這種興奮之後，大鼠終於可以睡覺了。

正如先前動物和人體研究的預期，到睡眠剝奪階段結束時，LFP 開始向較低頻率轉移，這與動物的睡眠壓力穩步增加的想法相符。然而，對電訊號的仔細檢查顯示出一些意想不到的情況：記錄的大腦區域中的所有或大多數神經元偶爾會出現零星的靜默期[參見下方方框]，而動物沒有表現出微睡眠的行為或腦電圖表現。這些短暫的、類似於關閉的 эпизоды 通常與 LFP 中的慢波有關。相反的情況發生在恢復性睡眠期間，在六小時期間即將結束時，此時睡眠壓力可能已經消退。此時，LFP 中的大而慢的波變得不那麼頻繁，神經元活動變得更加不規則，就像清醒時一樣。

看來，當清醒但睡眠不足時，神經元會表現出睏倦的跡象，而在數小時的充足睡眠後，單個神經元開始醒來。仔細的統計分析證實了這些趨勢：在強迫大鼠保持清醒的四個小時內，關閉期的數量增加，而恢復性睡眠期間則發生了相反的動態。

一個問題是，是否有任何一個神經元獨立於任何其他神經元進入睡眠狀態。或者，這種現象是否更像是一種全域性現象，即所有神經元同時轉換到關閉期？透過在第二個皮層區域（頂葉皮層，一個與運動皮層截然不同的區域）植入第二個微絲陣列獲得的答案是，對這兩個問題都是“是”。

點選或輕擊放大

也就是說，有時兩個區域的神經元一起關閉，而有時它們則獨立進行。然而，隨著睡眠壓力的增加，在保持清醒幾個小時後，睡眠剝奪期間的神經元活動確實變得更加全域性同步（就像在深度睡眠中一樣）。同樣，動物在恢復期睡得越久，在兩個皮層部位同時檢測到慢波的可能性就越小。當睡眠壓力較高時，神經元群可以更容易地被募集來產生構成深度睡眠的慢振盪。

這些結果描繪了一個比普遍觀點更細緻的清醒和睡眠檢視，在普遍觀點中，這兩種狀態都被認為是全域性的、全有或全無的意識狀態。相反，這些資料，加上來自癲癇治療中偶爾使用的植入微電極患者的單神經元記錄的支援，表明即使當受試者清醒時，個體的神經元也可能變得疲勞並偶爾退出。睡眠壓力越大，這種情況就越有可能同時發生在皮層的許多地方。相反，經過數小時的安穩睡眠後，其中一些神經元與這些全腦範圍的振盪脫耦，並開始醒來。

但是，如果神經元在睡眠剝奪期間離線，那麼效能不應該會下降嗎？畢竟，這些神經元必須服務於某種目的，如果它們打盹，那麼某些方面應該會受到影響。為了調查這個問題，Cirelli、Tononi 及其合作者訓練大鼠用它們的前爪之一穿過狹窄的開口去抓貨架上的糖丸。如果動作笨拙，糖丸就會掉下來，無法再撿起來。

學習這項任務會啟用運動皮層的一個特定區域，該區域會因訓練而發生變化。在動物伸出爪子抓取糖果時，研究人員搜尋關閉期，他們發現，與大鼠成功撿起糖果時相比，神經元放電中的這些間隙更可能發生在運動皮層中，時間點是在嘗試抓取糖丸失敗前的一瞬間。事實上，一次關閉期的發生使成功試驗的機率降低了三分之一以上。這些影響僅限於運動皮層，而在頂葉皮層中沒有觀察到，頂葉皮層不參與抓取任務。隨著動物睡眠剝奪程度的加深，它們的整體表現下降，這對於睡眠不足的人來說是典型的。

區域性睡眠

這項研究發現的是睡眠剝奪期間區域性睡眠的存在：孤立的皮層神經元群短暫離線，而動物從所有表面跡象來看，仍在繼續活動並做它所做的事情。如果這些神經元積極參與，區域性閉眼更有可能發生，就像它們在學習抓取糖丸時一樣。神經元也會變得疲勞和脫離，這是整個生物體發生情況的縮影。

從這些資料推斷，似乎合理的是，隨著睡眠壓力的增加，這些關閉事件的頻率及其在皮層中的優勢增加，直到整個大腦的活動突然但短暫地同步，大腦陷入深度睡眠——眼睛閉上，頭開始點頭。受試者進入微睡眠。

睡眠是一個引人入勝的主題，即使我們無法有意識地體驗深度睡眠，因為我們的意識被關閉了。睡眠是我們大腦每日週期中受到精細調節的一個方面，隨著太陽的升起和落下而變化，睡眠狀態的功能仍然存在爭議。

在過去的一個世紀裡，臨床醫生和神經科學家發現了不同的睡眠階段（快速眼動和非快速眼動）以及參與控制這些階段的中腦和腦幹的不同區域。更重要的是，這些研究人員已經揭開了嗜睡症的神秘面紗，即患者突然且不可抗拒地入睡、微睡眠以及現在的區域性睡眠。接下來會發生什麼呢？