倒下的牆：解開睡眠之謎

本文最初發表於《大眾科學》的前部落格網路，僅反映作者觀點，不一定代表《大眾科學》的立場。

編者按：倒下的牆會議是由倒下的牆基金會主辦的年度全球性盛會，匯聚了來自 80 個國家的具有前瞻性思維的各界人士。每年 11 月 9 日，即柏林牆倒塌週年紀念日，都會邀請 20 位世界頂尖科學家齊聚柏林，展示他們最新的突破性研究成果。會議旨在探討兩個問題：接下來哪些“牆”將會倒塌？這將如何改變我們的生活？本文作者將在今年的倒下的牆會議上發表演講。

根據我們的個人經驗，我們深知優質睡眠對於身心健康至關重要。然而，在現代繁忙的生活中，儘管我們越來越重視體育鍛煉和營養，卻常常忽視睡眠，認為它是浪費時間。正如瑪格麗特·撒切爾所言：“睡眠是弱者的專利！”

真是這樣嗎？睡眠是所有動物的普遍現象。作為人類，我們一生中有三分之一的時間處於睡眠狀態，此時我們十分脆弱，對外界事件幾乎毫無察覺。我們的睡眠受到精密調控，一旦受到限制，最終會透過更長、更深沉的睡眠來彌補。睡眠對於大腦的恢復和突觸連線的重組至關重要，也是支援記憶力和持續注意力的關鍵。睡眠不足會立即影響情緒和健康，損害免疫系統和新陳代謝，並增加患高血壓、糖尿病和中風的風險。睡眠片段化，即睡眠期間呼吸障礙的常見後果，甚至可能加速癌症的進展。顯然，睡眠對大腦和身體至關重要，否則，進化早就為我們這些“弱者”找到了替代方案。

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儘管睡眠自古以來就令人類著迷，但在 20 世紀之前，它一直被視為“短暫的死亡”——這一觀念可追溯至希臘神話中司掌睡眠與死亡的雙生兄弟，許普諾斯與塔納託斯。即使在今天，我們仍然常常認為睡眠不過是一種閒置的冬眠（正如我們將電子裝置調至“睡眠模式”一樣）。對睡眠的系統性科學研究始於 20 世紀 20 年代[KS1] ，隨著腦電圖（EEG）技術的發明而興起，並在隨後對不同睡眠階段的識別中不斷深入。睡眠階段，如快速眼動（REM）睡眠和非快速眼動（NREM）睡眠，各自具有獨特的腦電活動、腦生物化學和生理特徵，並以典型的順序出現，統稱為“睡眠結構”。

曾幾何時，睡眠研究專注於睡眠階段，因為這有助於推動醫療的全球標準化。但隨著時間推移，人們逐漸認識到，這種將大腦活動視為統一整體的視角具有侷限性和片面性，無法捕捉大腦活動在支援睡眠重要功能方面的複雜性。因此，睡眠研究已轉向關注特定腦區內不同型別的電活動波（震盪），例如非快速眼動睡眠期間出現的慢波（頻率低於 1 赫茲）和睡眠紡錘波（頻率為 10-15 赫茲），以及它們如何介導睡眠的功能益處。

睡眠和睡意的複雜區域性波

在 20 世紀 90 年代，神經科學家們不再侷限於使用腦電圖（EEG）標記睡眠階段，轉而深入研究構成慢波基礎的單個神經元的活動。他們發現，大腦皮層中的神經元大約每秒都會在活躍放電期和靜默期之間反覆“開啟”和“關閉”。由於在麻醉狀態下也觀察到類似的同步慢波，因此當時人們普遍認為，在睡眠狀態下，皮層中數十億個神經元會像一個龐大的合唱團一樣，整齊劃一地同步“開啟”和“關閉”。然而，一些現象與這種觀點並不相符。例如，如果某個腦區在白天特別活躍並參與學習，那麼它在隨後睡眠期間產生的腦波會更強，且與其他腦區有所不同。在海豚和其他海洋哺乳動物中，一個大腦半球呈現慢波睡眠狀態，而另一個半球卻像清醒時一樣持續活躍。諸如夢遊症等睡眠障礙，也與睡眠和清醒活動模式的複雜混合同時發生有關，這再次表明，在非快速眼動睡眠期間，神經元並非總是同步地“開啟”和“關閉”。

考慮到這些觀察結果，我們決定採用一種新的方法，來探究非快速眼動睡眠（NREM）的慢波期間，大腦活動在多大程度上是統一的。在某些情況下，為了輔助診斷，並精確定位藥物治療無效的癲癇患者的發作起始區，需要在多個腦區植入電極。我們與睡眠研究專家 Chiara Cirelli 和 Giulio Tononi，以及神經外科醫生 Itzhak Fried 合作，研究了這些患者在睡眠期間，多個腦區單個神經元的活動。與當時廣為流傳的教條相反，我們發現非快速眼動睡眠的慢波通常是局部發生的（不同步），即不同腦區會同時處於活躍和靜默狀態。我們證實，這是正常睡眠的一個普遍原則，不僅存在於其他哺乳動物中，且與癲癇無關。簡而言之，區域性睡眠波才是常態，而非例外。

基於這些發現，我們進一步假設，通常被頭皮腦電圖所忽略的區域性慢波，可能仍然存在於從清醒時的睡意朦朧到完全進入睡眠狀態的整個過程中。儘管疲勞會導致短暫的全身性睡眠發作（即“微睡眠”），但我們推測，即使在我們睜著眼睛與世界互動時，區域性睡眠波也可能發生。

我們證實，在清醒但睡眠不足的大鼠和人類中，區域性睡眠波與認知功能下降同步發生，尤其是在那些負責執行當前任務的大腦環路中。最後，不僅清醒狀態下存在“睡眠島”，睡眠狀態中也可能存在類似清醒活動的“島嶼”。我們還發現，在人類快速眼動睡眠（REM）期間，單個神經元的活動與眼球運動以及心理影像的切換有關。

隨著這種包含“睡眠島”和“清醒島”的陰陽圖景逐漸清晰，睡眠仍然像一塊大陸，在很大程度上仍是未知的領域。今天，劃分睡眠與清醒的概念藩籬正在瓦解，取而代之的是一種新的框架，即睡意代表睡眠和清醒兩種狀態在不同腦回路中同時發生的複雜混合。

從實際應用層面來看，睡意是導致事故發生的主要原因之一，其危害程度堪比酒後駕駛。遺憾的是，我們目前尚無可靠高效的方法來量化個體在特定時刻的疲勞程度。因此，開發出能夠檢測和量化“睡眠島”的方法將具有重要價值，從而能夠識別出睡意何時達到危險閾值，及時警示並防止人們從事需要高度警惕的職業活動，如駕駛、航空和外科手術等。

睡眠研究的未來展望

除了基礎睡眠研究的進展之外，一些正在進行的研究也展現出重要的應用前景。

—理解和測量睡眠深度。 在任何特定時刻，我們與外部環境“斷開連線”的程度有多深？又是什麼機制促成了這種“斷連”？有些人似乎可以睡得很沉，幾乎聽不到任何動靜（就像幼兒一樣），而另一些人則很容易被驚醒（例如，在壓力狀態下或老年人）。一旦我們更深入地理解了決定覺醒的大腦活動機制，就有可能開發出受神經生物學啟發的睡眠深度監測裝置。隨著技術發展，這類裝置有望整合到“智慧”臥室中，像體溫計測量體溫一樣，量化睡眠質量。類似的監測裝置也可應用於外科手術中，以消除術中意識，並最大限度地降低麻醉過深的風險。更廣泛而言，“睡眠深度”監測儀還有助於對植物人患者和重度痴呆症患者做出醫療和倫理方面的決策，因為在這些情況下，我們仍然無法確定患者在多大程度上感知外部世界。

—睡眠：輔助醫療診斷的獨特視窗。 幾乎每一種神經精神疾病都伴有特定的睡眠活動異常，而睡眠監測能夠以最小的不便性提供豐富的資料資訊。透過超越簡單的睡眠階段概念，更精確地定義個體正常的、獨特的睡眠腦波模式，我們有望改進包括阿爾茨海默病、帕金森病和自閉症在內的多種腦部疾病的早期檢測，並評估中風患者的康復前景。

—改善睡眠：超越藥物。 依賴藥物助眠往往伴隨諸多弊端，如耐藥性和醒後昏沉等。目前的研究正在探索非侵入性干預手段（如精準定時的聽覺和電刺激）在多大程度上可以增強睡眠腦波，從而改善認知功能和記憶力。未來，睡眠輔助裝置或將成為我們生活的一部分，為失眠患者帶來福音，並有助於對抗記憶力衰退。

總之，對睡眠生理學更深入的理解最終將對我們未來的生活產生深遠影響，併為睡眠研究帶來光明的前景。

倒下的牆會議由德國聯邦教育與研究部、亥姆霍茲協會、羅伯特·博世基金會以及柏林參議院共同支援。同時，會議也獲得了眾多國際頂尖大學、研究機構以及基金會、企業、知名人士和非政府組織的支援與建議。

作者簡介

Yuval Nir 是以色列特拉維夫大學的助理教授。

延伸閱讀

睡眠剝奪後，選擇性神經元活動中斷先於人類認知功能下降。Yuval Nir, Thomas Andrillon, Amit Marmelshtein, Nanthia Suthana, Chiara Cirelli, Giulio Tononi, and Itzhak Fried 發表於Nature Medicine, in press.

人類快速眼動睡眠和清醒視覺期間的單神經元活動與眼動。Thomas Andrillon, Yuval Nir, Chiara Cirelli, Giulio Tononi, and Itzhak Fried 發表於Nature Communications, Vol. 6, page 7,884 ; August 11, 2015.

人類睡眠中的區域性慢波和紡錘波。 Yuval Nir, Richard J Staba, Thomas Andrillon, Vladyslav V. Vyazovskiy, Chiara Cirelli and Giulio Tononi 發表於Neuron, Vol. 70, pages 153–169; April 13, 2011.

清醒狀態下大鼠的區域性睡眠現象。 Vladyslav V. Vyazovskiy, Umberto Olcese, Erin C. Hanlon, Yuval Nir, Chiara Cirelli and Giulio Tononi 發表於Nature, Vol. 472, pages 443–447; April 28, 2011.