睡觉,用半个大脑就够了?
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发布时间：2022-04-23 07:10
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时间：2022-06-17 07:24
“夜晚的睡眠并不属于我们，亦不为我们所拥有。睡梦中的我们成为了幽灵的寄宿所，而在清晨苏醒时必须将它们赶走。”——Gaston Bachelard，法国哲学家，1960年。
无论是苍蝇、鸟、老鼠、狗、猴子，还是我们人类都需要睡眠。也就是说，动物每天都会经历相对平静的阶段，对外界的刺激，如光、声、触碰等缺少反应。对外部事件不敏感使睡眠不同于静息状态，而能从沉睡中醒过来，又使睡眠区别于昏迷状态。尽管睡眠会使个体无法应对潜在威胁，但为何这种独特的行为仍普遍存在于动物界的日常生活中？原因不得而知。
不过，在过去一个世纪，由于记录大脑（在头骨表面进行的脑电扫描，即EEG）、眼部（眼电描记术，即 EOG）、脸部及其他部位肌肉（肌电描记术，即 EMG）电活动的各种技术的发展，使人们对睡眠状态下大脑的生理机能和功能的描述取得了很大进步。科学家同时利用这三种测量方法成功实现了对睡眠状态的操作定义，并得出了一些意外的、反常识的见解。
就算没有这些技术手段，我们也都知道一些睡眠的基本常识。睡眠对于大脑的正常运转至关重要，大多数人都有熬通宵或失眠的经历，这样一夜过去我们就会变得烦躁易怒、昏昏沉沉，面对需要长时间集中注意力的任务时显得力不从心。事实上，睡眠缺乏造成了大量交通事故——这也是国家法律规定了卡车司机连续驾驶不得超过多少小时、停车休息不得少于多少时间的原因。
睡眠主要是为了大脑，而不是身体。不然的话，我们大可花八个小时躺在床上看喜欢的电视剧来替代睡眠。所以，我们需要观察睡眠状态下的大脑，更好地了解睡眠——这个占据了我们一生三分之一时间的状态——的原理和机制。
睡眠研究
1953年迎来了睡眠科学研究的一项里程碑。在这一年，芝加哥大学的Eugene Aserinsky和Nathaniel Kleitman发现了之前没有人注意到的两种不同形式睡眠的差异：快速眼动（rapid eye movement, REM）睡眠和非快速眼动（non-REM, NREM）睡眠。被试者从清醒状态进入其中一种睡眠状态前，他们头皮上的EEG电极记录到的脑电波呈现出一种典型的电活动模式，即低幅高频信号，同时肌电图显示其肌张力提高（见上图）。
随着被试者睡着依次进入较浅和较深的NREM阶段，也就是通常所说的深睡眠阶段，他们的脑电波频率逐渐减慢，而幅度增加。此时，作为清醒标志的眼动完全停止，肌张力也逐渐减弱。睡眠程度的加深，是由唤醒睡眠者的难度和脑电指标来判定的。上半夜最安适的睡眠阶段中，EEG由低频的高幅波（或振动）主导。而直接从颅内大脑新皮质中单个神经元记录的电信号显示，人清醒时，细胞处于规律放电期，发出一连串“全或无”模式的电脉冲（称为尖峰脉冲）。当神经元进入静息状态时，电脉冲转入间歇期。放电期和间歇期交替及其相关的EEG慢波，术语称为慢波活动（slow-waveactivity , SWA），发生的频率从四秒一次到一秒四次不等（即0.25~4赫兹）。
NREM阶段的睡眠中会穿插短暂的REM阶段。在REM阶段，脑电图呈现出完全不同的模式：高幅低频慢波变成了表面上很像清醒大脑发出的高频低幅波。新皮质单个神经元上同样记录到了矛盾的电活动：其放电强度和白天相同。除呼吸肌运动外，所有肌张力消失，整个身体实际上是“瘫痪”的。快速、不稳定、两眼对称的眼动现象正是这一阶段名称的由来。
脑电图活动。图片来源：Alamy图片库，作者NataliaPryanishnikova
一夜中的大部分睡眠时间是在NREM阶段度过的，而恢复精力效果最好的深度睡眠阶段和与之相关的慢波活动（SWA）占整夜睡眠的20%~25%。SWA是由自我平衡控制的，也就是说，白天个体清醒的时间越长，当晚睡眠越深，SWA越频繁。反之，早上睡眠压力减少时，SWA会减少，睡眠也会变得更浅。同样，午睡也会减少夜里的慢波活动。
如今市场上销售的一些设备在头戴式耳机中播放与SWA频率相同的轻柔旋律，使人更容易进入深度睡眠，达到更好睡眠效果。
半个大脑值班
过去，人类的深度睡眠一直被认为是整个大脑参与的：人要么睡着，要么醒着，两种状态不能同时发生。换句话说，人类的大脑要么处于以SWA为标志的深度睡眠中，要么处于清醒状态，不可能同时处于两种状态。然而，一些鸟类和水生哺乳动物，例如海豚和鲸身上，人们发现了明显的半球慢波睡眠现象：它们有半个大脑处于清醒状态，能够保持一只眼睛睁开，而另一半大脑则显示出了睡眠的电活动特征。这很有可能是一种保护机制，使在飞行或游动的动物能用一个脑半球监测环境中的潜在威胁，另一个半球则得到一定的休息。
如今，这种半睡眠现象在人类身上也发现了（更多针对睡眠本身，而不是睁一只眼睛的情况）。经常旅行的人会很了解“第一晚效应”，即在不熟悉的地方，不管是旅店，朋友家里，还是帐篷里，第一晚都很难入睡。我们难以抛开杂念，醒来的时候则会体乏无力。布朗大学的一支由Yuka Sasaki和Takeo Watanabe领导的团队着手调查了这一现象。
11名健康志愿者在一部能记录大脑微弱磁场变化的神经成像扫描仪中睡了两晚。科学家以慢波活动为重点，测量了志愿者大脑左右半球各四个神经网络中慢波活动的强度。有趣的是，他们发现在第一晚，左大脑皮层的默认模式网络（一系列与走神和空想等现象有关的相互作用的脑区）的SWA要比右大脑皮层弱，而第二晚这种不平衡的现象就消失了。此外，SWA的模式越不对称，被试者就要花更长的时间睡着。实际上，大脑左半球的一部分在第一晚“睡”得没有右半球深。
为了测试/着手左半球在不熟悉环境中的警醒程度，研究团队招募了另外13名被试者，通过耳机向他们播放声音。这些音调大多是一样的，但在极个别情况下会听到一个不同的音调，如：嘀、嘀、嘀、哒、滴、滴。这个异常的音调会吸引被试者注意，产生特定电信号。当这个新异音调在左耳播放，信号就会传播到右半球大脑皮层，同时在皮层上产生警醒的特征反应。
第一晚，左半球会对新异/异常音调产生比右半球更强烈的警醒反应。这种警醒反应会导致左半球会比右半球更频繁地被唤醒（以EEG标准定义）。
在扫描仪里的第二阶段，左半球和右半球对于新异/异常音调的反应都很微弱，并且跟对于重复音调的反应处于同一水平。如果左半球网络担任的是睡眠者的守夜人，那么一个由左半球（通过右耳）发现的异常事件应当会比由右半球（通过左耳）发现的事件引起更快的反应。这一设想在第三组的11个志愿者中得到了验证：在扫描仪中他们被要求无论何时听到新异音调，都要轻敲他们的手指（这显然不像是最适合休息的睡眠方式；同时也不允许他们摄入咖啡因或酒精饮料，或是在白天小憩）。结果表明，第一晚由右耳传播到左脑半球的声音更有可能引起唤醒，这种左右脑的不对称现象在第二晚消失。除此之外，左脑产生对声音的唤醒反应要比右脑快。
简言之，在陌生环境中睡觉时，左半球比右半球的脑皮层会更加“警觉”，并对外界刺激产生更快更强烈的反应。从进化角度看，这种反应有着至关重要的意义。在睡眠时，有个哨兵（这里指左脑皮层的默认模式网络）来监视未知环境中的威胁因素是很重要的。人类的大脑被赋予了一种类似鸟类和其他哺乳动物（但没那么彻底）的半睡眠模式。人们在熟悉的环境中睡眠质量更好。
当有人与我们同床共枕时，不管是配偶，伴侣还是孩子，这都是我们睡眠环境中最重要的社会因素。我估计，当我们第一次独自入睡时，尽管在熟悉的卧室中，左脑半球也会变得更加“警觉”。它知道少了什么，所以我们也会睡得不那么安稳了。
翻译：史博皓 审稿：林然
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