與清醒生活的喧囂相比，睡眠看起來遲鈍且無所事事。除了在夢中，睡眠中的大腦不會行為不端或找到工作。它也不會愛、算計、渴望，或者真正做任何我們自豪地認為是功勞的事情。然而，在我們的思想暫停的那些安靜時刻，我們的大腦正在進行所有創造性行為核心的基本勞動。它編輯自己。而且它可能會丟棄很多東西。
在關於睡眠目的的引人入勝的新理論中，威斯康星大學麥迪遜分校的神經科學家朱利奧·託諾尼提出，為了鞏固我們所學到的知識，睡眠也必須刺激大腦的瓦解。他的理論認為，當有意識的頭腦進入睡眠狀態時，為我們的知識建立支架的神經連線必須部分解開。雖然這種夜間拆卸似乎是一種奇怪的大腦自我破壞行為，但實際上它可能是一種增強大腦編碼和儲存新資訊能力的機制。
睡眠對學習和記憶的好處在科學界已被廣泛接受。主流觀點認為，最近形成的記憶在睡眠期間會被重放，並在過程中在大腦中變得更加清晰[參見羅伯特·斯蒂克戈爾德和傑弗裡·M·埃倫博根的“安靜！睡眠中的大腦在工作”；《大眾科學·思想》，2008年8月/9月]。正如託諾尼推測的那樣，然而，支撐這些記憶的神經迴路只能被強化有限的次數，然後達到它們的最大強度。他和他的同事收集了證據，表明睡眠也充當復位按鈕，統一鬆開整個大腦的神經連線，使這個器官恢復到可以進行學習的靈活狀態。
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該理論仍然存在爭議。一些睡眠研究人員認為支援它的證據過於初步，更傾向於將睡眠視為記憶鞏固和加強的傳統觀點。儘管如此，如果託諾尼是對的，那麼睡眠可能不僅僅是為了整理最近過去的記憶。它也可能為我們尚未擁有的經歷的記憶留出空間。
飽和畫素？
當一種體驗——比如聽新音樂或在陌生的城市中導航——將活動模式強加於神經元群時，就會發生學習。這種模式改變了細胞間的相互連線：共同活躍的神經元之間的聯絡變得更強，而不同步的神經元之間的聯絡則減弱。這樣，細胞在功能上就被捆綁在一起。這個聯盟致力於儲存特定的體驗片段——一個記憶。在隨後的離線時期——尤其是睡眠——體驗印記的模式會被重放，導致細胞變化，從而穩定該模式。
大約十年前，大多數心理學家認為睡眠是對白天學習的回顧。然而，託諾尼感覺到一個潛在的問題：如果神經元之間的連線——突觸——在連續的夜晚和白天被越來越緊地擰緊和加強，它們最終會達到飽和。就像太亮影像的飽和畫素一樣，一組達到最大值、統一的突觸將提供很少的資訊。同樣有問題的是，這樣的大腦將無法儲存新的體驗。
託諾尼還注意到他和許多其他研究人員在睡眠者身上記錄到的一些有趣的腦電波特性。科學家們早就知道“慢波”睡眠——即人們最難被喚醒的休息階段——是必要且具有恢復性的。即便如此，他還是注意到了兩個更具體的現象。首先，他認識到，當人們被剝奪慢波睡眠時，他們傾向於在稍後透過更長和更強烈的這種型別睡眠來彌補。
此外，託諾尼注意到，這種深度睡眠的強度——以腦電波記錄中的振幅來衡量——隨著夜晚的推移而減弱。這兩個觀察結果都讓他想到了穩態，即維持生物系統平衡的相反力量的推拉。慢波睡眠似乎正在將大腦拉回到某種平衡狀態，而清醒狀態已經擾亂了這種平衡。
託諾尼考慮了哪種生物過程可能導致慢波睡眠的變化。他知道它的強度與整體突觸強度相關。當神經元同步放電時，它們會驅動這些神經連線群同步啟用。流經它們的電流產生慢波訊號，該訊號透過頭皮上的電極片記錄下來。託諾尼推測，清醒狀態可能會導致突觸的增殖或加強，而最初高強度的慢波睡眠反映了這些非常強的細胞網路。如果突觸在睡眠期間以某種方式減弱或分解，那麼它們的損失可以解釋為什麼睡眠訊號在夜間縮小。
為了支援他的猜想，他將其稱為“突觸穩態”，託諾尼想直接觀察睡眠和清醒狀態下突觸的差異。在2008年發表的一項研究中，他和他的合作者從大鼠身上採集了腦組織，其中一些大鼠正在睡覺，另一些則處於清醒狀態。對於每個組織樣本，研究人員使用放射性抗體選擇性地標記幾種僅存在於突觸中的蛋白質。他們發現，與清醒的大鼠相比，打盹的大鼠體內的許多這些蛋白質明顯更少。他們的結論：睡眠中的大腦中存在的突觸更少，或者這些突觸平均而言，它們有效溝通所需的機制更少——也就是說，它們更弱。
耶魯大學的肖冰高及其同事在2010年發表的一項研究中進一步支援了這一觀點。高的團隊與託諾尼合作，記錄了從清醒和警覺的齧齒動物身上取下的腦組織切片中單個神經元的電活動。神經元透過在突觸中穿梭的小電流不斷地相互交談。流經突觸的電流越多，突觸就越強。來自之前清醒的齧齒動物的神經元比來自睡眠動物的神經元接收到更強烈的電流衝擊，這表明睡眠中的大腦中的神經元透過更少或更弱的突觸連線。結果暗示大腦在白天和夜晚週期之間在強連線和弱連線狀態之間切換。
不眠的果蠅
如果睡眠重塑突觸，研究人員應該能夠看到這些變化的結構性跡象。神經元透過其進行通訊的突觸在數量和大小上可能有所不同。一般來說，突觸越多，突觸越大，兩個連線的神經元之間可以傳遞的電“資訊”就越多。
科學家可以透過將熒光標籤貼在突觸間隙兩側工作的蛋白質上來視覺化突觸。2011年，託諾尼與威斯康星大學的神經科學家丹尼爾·布什和基亞拉·西雷利共同報告稱，使用這些技術來追蹤果蠅突觸的大小和數量。他們強迫一些果蠅保持清醒，方法是將它們放在一個旋轉的盒子中——在旋轉的頂部，打盹的果蠅會掉下來並醒來——看看阻止睡眠是否會阻止突觸的收縮和回縮。與託諾尼的假設驚人地一致，他們發現被迫保持清醒的果蠅大腦中的突觸密度明顯更高，突觸也大得多——在某些情況下，是睡眠果蠅大腦中的兩倍。
在2011年的一項更新的研究中，託諾尼和他的團隊已將這些結果擴充套件到小鼠。透過用熒光指示劑標記小鼠大腦皮層或外層皮質中的神經元，研究人員可以觀察棘突的生長和回縮——棘突是神經元上形成突觸的微小、旋鈕狀的突起。他們看到突觸的總體密度隨著清醒而增加，在小鼠被剝奪睡眠時保持較高水平，並且僅在允許睡眠後才降低。
睡前補品
然而，在突觸穩態被譽為我們睡眠的主要原因之前，研究人員必須提供更好的證據，證明神經功能的某些可測量方面——例如學習、記憶或感知——透過突觸的收縮和拆卸得到改善，並在這些活動以某種方式受到限制時受到損害。找到這樣的證據將是困難的。如果這樣的證據出現，託諾尼的觀點可能會為既定的睡眠透過加強白天形成的突觸來鞏固記憶的觀點增加相當大的細微差別。
憑直覺，我們知道睡眠具有恢復性，許多生動的隱喻都試圖捕捉這個想法。睡眠是一種補品。睡眠是一種安慰劑。正如莎士比亞所說，睡眠“縫合了憂慮的紛亂線頭”。他不可能知道睡眠可能會透過解除大腦中白天編織的一些東西來更新我們，以便我們可以活到又一天學習。
本文以印刷版“睡眠的秘密修復”發表。