睡覺時(shí)，大腦竟在做這些事

袁越

幾乎所有的動(dòng)物都會(huì)睡覺，單從進(jìn)化論的角度來看，這是不可思議的。因?yàn)樗X絕不只是休息一下，而是徹底失去意識(shí)。此時(shí)的動(dòng)物對(duì)外界刺激反應(yīng)遲鈍，很容易被捕食者抓住。這顯然對(duì)生存很不利。不過，如果我們換個(gè)角度，就會(huì)意識(shí)到睡眠一定在其他方面有著不可替代的重要作用，所以才會(huì)被進(jìn)化保留下來。

哺乳動(dòng)物的睡眠可以分為快速眼動(dòng)（REM）和非快速眼動(dòng)（NREM）兩個(gè)階段，在腦電波圖上可以很容易地區(qū)分出來。REM期間眼球會(huì)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，做夢(mèng)也通常發(fā)生在這一階段，所以又被稱為“做夢(mèng)階段”。NREM期間眼球不轉(zhuǎn)，睡得也更沉一些，所以又叫做“深度睡眠階段”。

大部分讀者肯定對(duì)做夢(mèng)更感興趣，因?yàn)樽怨乓詠砣藗兙拖嘈艍?mèng)有著特殊的意義。弗洛伊德則認(rèn)為夢(mèng)是潛意識(shí)的體現(xiàn)，代表著被理智壓抑的深層欲望。不過，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，夢(mèng)并沒有那么神秘，它只不過是白天的一些零散想法的隨機(jī)展示而已，和潛意識(shí)沒有關(guān)系。

既然如此，人為什么要做夢(mèng)呢？與此對(duì)應(yīng)的一個(gè)等價(jià)問題就是：哺乳動(dòng)物睡眠的“做夢(mèng)階段”，究竟有什么用處？

此前關(guān)于REM的研究大都集中在腦部血液供應(yīng)這個(gè)問題上?？茖W(xué)家運(yùn)用功能性核磁共振（fMRI）、正電子發(fā)射斷層掃描（PET-CT）、超聲多普勒分析法（Ultrasound Doppler）和近紅外光譜技術(shù)（Near-infrared Spectroscopy）等方法研究了這個(gè)問題，得出了很多相互矛盾的結(jié)論。原因是這些測(cè)量方法都是間接的，受到很多其他因素的影響，結(jié)果很不可靠。

日本筑波大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家林悠和同事們開發(fā)出了一種基于雙光子顯微鏡（Two-photon Microscopy）的測(cè)量方法，可以實(shí)時(shí)觀察到腦部毛細(xì)血管內(nèi)被熒光染色的單個(gè)血紅細(xì)胞。研究人員用這個(gè)方法測(cè)量了小鼠在REM和NREM睡眠期間的腦部血液流動(dòng)速率，再和清醒狀態(tài)時(shí)的數(shù)值做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)清醒和NREM時(shí)的血流速度幾乎沒有差別，而REM階段的血液流動(dòng)速度遠(yuǎn)較前兩者更高，平均速度提高了2～3倍。

更有意思的是，研究人員故意在小鼠進(jìn)入“做夢(mèng)階段”時(shí)叫醒它們，然后讓它們接著睡，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些美夢(mèng)被打斷的小鼠的血液流動(dòng)速度會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)償性的增加，說明這個(gè)REM階段的血液流動(dòng)屬于“剛需”，一點(diǎn)折扣都不能打，虧多少就得補(bǔ)多少。

這是人類首次直接觀察到睡眠期間哺乳動(dòng)物腦部的血液流動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果很有說服力，相關(guān)論文發(fā)表在2021年8月17日出版的《細(xì)胞報(bào)道》（Cell Reports）期刊上。

論文作者指出，腦神經(jīng)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量代謝廢物，白天可能來不及運(yùn)走，只能等到晚上睡覺時(shí)再清理。REM階段血液流速大幅加快，說明這一清理工作很可能就是在做夢(mèng)時(shí)完成的。換句話說，我們的夢(mèng)，很可能只是大腦清潔工在工作時(shí)的一個(gè)副產(chǎn)品。

研究人員又用一種經(jīng)過遺傳改造的小鼠重復(fù)了上述實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它們?cè)赗EM階段的血液流動(dòng)速度并不會(huì)增加太多，打斷美夢(mèng)之后的補(bǔ)償性增速也沒有出現(xiàn)。這種小鼠和普通小鼠唯一的區(qū)別就是其腺苷酸受體（Adenosine A2a Receptors）基因被去除了，導(dǎo)致它們體內(nèi)沒有這種受體，這個(gè)結(jié)果說明腺苷酸受體很可能參與了大腦血液流速的調(diào)控。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)很有意義，因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)新的藥物靶點(diǎn)，可以幫助制藥廠研發(fā)出一種能夠提高大腦血液流速的新藥。目前已知大腦血液流速的降低及做夢(mèng)時(shí)長的減少，會(huì)增加惠阿爾茨海默病的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)檫@種病的病因很可能與腦組織代謝廢物的過度堆積有關(guān)。如果能想辦法讓我們多做夢(mèng)，也許能起到預(yù)防阿爾茨海默病的效果。

說完REM，我們?cè)賮碚f說NREM。別看這一階段被稱為“深度睡眠”，但其實(shí)我們的大腦仍然非?；钴S。在fMRI技術(shù)的幫助下，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在NREM期間大腦會(huì)把白天接收到的各種信息重新過一遍，其中重要的信息會(huì)被強(qiáng)化，進(jìn)入記憶的范疇，其余不重要的信息則會(huì)被忘掉，以便騰出空間，迎接新的一天。

瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家弗吉尼亞·斯特彭尼奇（Virginie Sterpenich）想知道，什么樣的信息會(huì)被記住，什么樣的信息會(huì)被忘掉，于是她和同事們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)精巧的實(shí)驗(yàn)。

科學(xué)家們招募了18名年輕志愿者，他們?cè)谒X前先被要求玩兩個(gè)電腦游戲，其中一個(gè)游戲是“看臉猜人”，考驗(yàn)的是志愿者的面部識(shí)別能力;另一個(gè)游戲是“三維迷宮”，測(cè)試的是志愿者的空間感知能力。之所以選擇這兩個(gè)游戲，是因?yàn)樗鼈兩婕皟煞N完全不同的能力。玩家的大腦活躍區(qū)非常不一樣，很容易在fMRI設(shè)備上被區(qū)分出來。

科學(xué)家們還在游戲后臺(tái)做了點(diǎn)小手腳，讓玩家永遠(yuǎn)贏不了。受試者被隨機(jī)分成兩組，一組是第一個(gè)游戲贏不了，第二個(gè)游戲可以贏;另一組是第二個(gè)游戲贏不了，第一個(gè)游戲可以贏。之后，志愿者們被要求躺在核磁共振儀里睡覺，科學(xué)家們則通過腦電圖（EEG）來判斷他們進(jìn)入了哪種睡眠階段。

研究結(jié)果顯示，當(dāng)志愿者們進(jìn)入NREM階段時(shí)，其腦組織會(huì)重復(fù)出現(xiàn)睡前玩游戲時(shí)的活躍模式，這說明處于深度睡眠中的大腦并沒有閑著，而是一直在回味剛才玩的游戲。不同的是，負(fù)責(zé)處理白天接收到的信息的海馬區(qū)，此時(shí)會(huì)把和游戲相關(guān)的信息傳遞給大腦皮質(zhì)，由后者負(fù)責(zé)儲(chǔ)存起來，成為長期記憶的一部分。

如果用電腦來比喻的話，海馬區(qū)相當(dāng)于隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，而大腦皮質(zhì)相當(dāng)于硬盤，前者只是暫時(shí)儲(chǔ)存一下信息，電腦關(guān)了就沒了。只有把信息儲(chǔ)存到后者那里，才會(huì)永久保留下來。這個(gè)任務(wù)正是在NREM階段完成的。

科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，志愿者在深度睡眠時(shí)回味的大都是他贏的那個(gè)游戲，這個(gè)結(jié)果并不出人意料，而是完全符合進(jìn)化論的預(yù)期的。按照這個(gè)理論，凡是能夠提高個(gè)體生存率的行為都會(huì)被保護(hù)下來，大腦依靠一套獎(jiǎng)懲機(jī)制來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。比如覓食、避險(xiǎn)或者繁殖等行為都是好的，都屬于應(yīng)該被獎(jiǎng)賞的行為，所以動(dòng)物在做這些事時(shí)會(huì)感到非常愉悅，而這種愉悅感可以幫助動(dòng)物形成長期記憶，以便下次再遇到類似情況時(shí)能夠繼續(xù)這么做。

斯特彭尼奇將研究結(jié)果寫成論文，發(fā)表在2021年7月6日出版的《自然通訊》（Nature Communications）期刊上。文章還指出，志愿者們確實(shí)對(duì)贏的那個(gè)游戲記憶更深刻，說明fMRI的測(cè)量結(jié)果是對(duì)的。那天晚上，他們的大腦光顧著整理美好的回憶，其他不愉快的經(jīng)歷都被忘記了。