人为什么要睡觉?

日期: 2020-09-17 00:15:01 人气: -

睡觉是个很神奇的事情, 一种自然而然失去意识的状态(做梦期间除外), 常常被称作是The Mysterious Third of Our Lives.

第一个问题不好回答,第二个问题倒是相对清楚一些.

Ok,先试图回答第一个问题:人为什么需要睡觉,或者说,睡眠有什么功能?

关于睡眠的功能有许多种理论,这也反映了我们对睡眠功能的了解相当有限。有很多种生理机能需要在睡眠状态下进行,至于其原因并不清楚,这些机能究竟应该算作睡眠本身的功能,还是一种和睡眠同时发生的伴随现象,现在还无解.一种看法是,睡眠最初只是为了满足一种原始的功能(可是这种最原始的功能是什么,没有定论),而在进化中,慢慢获得了更多的功能。这就像喉,喉有很多的功能,包括控制食物的进入和空气的进入,发声,所有这些功能很可能是进化中实现的,最初的功能只有一个。现有大多数理论认为,睡眠的功能包括修复,代谢和合成,发育,记忆巩固等。在人类和其它动物中,这些功能可能并无不同。

要了解睡眠的功能,最好的方法是看看如果不睡眠,会发生什么。我会举例一个残忍的实验告诉你,睡眠是为了活下来。

这个残忍的实验是这么进行的:

这是一个完全睡眠剥夺实验.我们可以通过监视脑电状态判断一个人或动物是否在睡觉.在这个试验中,把两只老鼠养在一个转轮装置中,同时检测他们的脑电.当检测到实验老鼠的脑电进入睡眠状态时,转轮开始转动,强迫实验老鼠醒来并随着转轮走动.在这期间,实验老鼠的睡眠完全被剥夺,而对照老鼠可以间断的睡一睡,只是走过了相同距离.

然后结果来了:实验动物吃得越来越多,体重却越来越轻.要减肥的妹子们是不是要激动了&*()%^&稍等一会儿.

那只可怜的耗子,后来开始体温紊乱, 表现出很强的heat-seeking behavior, 最后,它死了(对照老鼠还活着). 不要问我它是怎么死的,我真的不知道. 一个可能的原因是由于免疫缺陷带来的sepsis.

这个实验说明睡眠的功能包括:能量代谢平衡,体温维持 和免疫.

当然,睡眠剥夺的影响还很多,也就是说睡眠的功能不止这些.

下面开始正题:

最容易被发现的功能:维持精神状态,包括注意力,情绪控制力,判断力等.

睡眠剥夺可以导致困倦,根据睡眠剥夺的性质不同,在随后的睡眠中,睡眠剥夺可以增加NREM特征脑电的幅值或REM睡眠中眼球的运动速度。睡眠缺失可以使个体易于昏睡,使个体改变行为方式,并影响人的价值判断。睡眠不足可以积累,这说明睡眠是有重要作用的,而睡眠缺失导致一些功能不足必须由之后的睡眠补充。虽然人类可以克服短时期的睡眠不足,但仍然不能承受长时间的睡眠不足。

长时间的睡眠不足的表现有:皮肤受损,体温过热,食物摄入量增加和突然死亡。这些表现可能同下丘脑功能损伤和内分泌,免疫系统功能失调有关,但没有发现睡眠剥夺可以造成脑部的器质性损伤。

睡眠时机体代谢降低,可以保存能量.

睡眠也可能是一种适应性的行为,目的是在24小时中的某个时段限制机体的活动,从而节约能量,就像在特定季节的冬眠。大型的食草动物比小型的食草动物每日睡眠时间更短,可能是因为它们更容易受到食肉动物的攻击。另一种解释是食草动物需要更多时间进食,以从低能量的食物中获得足够的能量。另一种对于动物体积和睡眠时间关系的解释是,小型的动物需要更多的睡眠,是因为它们拥有更大的表面积体积比,因此保持清醒状态下的体温更为消耗能量,而躲在温暖安全的巢中睡眠则使这样的损失降到最小。另一个意外的发现是,通过脑电分析睡眠深度发现,睡眠时间短的动物的睡眠深度更浅。这就是说,睡眠少的动物并不需要更深的睡眠来补足它们的需要。

节约能量对于新生儿可能最为重要。因为新生动物有着最大的表面积/体积比,使得热量散失更为严重。另外,睡眠可以通过减少活动,从而减少未成熟动物被天敌发现的可能。当体型增大和感觉运动能力成熟之后,动物能够从清醒活动中获得更多好处,因此睡眠时间逐渐减少。

睡眠的另一个可能功能是抗氧化和提供对机体氧化损伤的修复。在小型动物中,代谢率比大型动物要高,可能这也是小型动物需要更多睡眠时间的原因。有实验证明,睡眠剥夺的动物表现出更明显的氧化损伤。在睡眠中,许多蛋白质开始合成,其中包括抗氧化所需要的一些蛋白质。同时一定量的睡眠也是神经元新生所必需的.

下面是快速眼动睡眠(REM)的功能

REM睡眠是梦的多发时期,因此吸引了心理学家,生理学家和神秘学者的兴趣。REM睡眠似乎是个“悖论”,在这个时期,虽然个体是处于睡眠状态,但脑部的代谢和神经元的活动仍处在高水平,呼吸和心跳节律常常改变,快速眼动和抽搐,且时常伴有雄性生殖器的勃起。这就使REM睡眠的功能很难解释。若睡眠仅仅是为了节约能量,那REM睡眠是完全不必要的。

认知和记忆巩固

在人类的研究中发现,睡眠剥夺可以严重影响认知能力和智力表现。所以睡眠的功能可能会与智力有关。但这种损伤也可能是由于人想要入睡的状态而引起。很多这样的损伤可以由强烈的动机和药物来弥补。近年来,睡眠和记忆的关系成为一个热门领域,人们的兴趣主要集中在两个方面:记忆的巩固和睡眠的功能。

Robert Stickgol 在他2000年的实验中发现,人在睡眠之后会在辨识工作中表现的更好。基于此发现,他认为睡眠可以促进记忆认知能力,睡眠在对人的智力程度和学术水平的影响上远比原来预想的重要。

近期的观点认为,REM睡眠并不参与陈述性记忆,而对程序性记忆的形成和巩固有着重要作用。抗抑郁药可以抑制REM睡眠,但是并不会影响人的陈述性记忆,在知识性学习工作之后,REM睡眠总量并不会增加,而且REM睡眠剥夺并不会引起学习能力的下降。所以REM睡眠很可能并不参与陈述性记忆过程。在程序性记忆中,睡眠可以起到促进记忆巩固的作用。而且,睡眠也可以增进已经学到的技术,如手指操等。这些功能一般认为是在REM睡眠过程中完成的。

REM睡眠和发育

REM睡眠时间和睡眠时间总量正相关,同动物体重负相关,但同动物的发育成熟与否相关最明显。晚熟的动物比早成熟的动物有更多的REM睡眠时间,尤其是在初生的时候。鸭嘴兽幼崽极不成熟,不能自行控制体温和移动,成熟鸭嘴兽每天有8小时REM睡眠时期。而豚鼠出生之时就有牙齿,皮毛且能够睁眼,其成体每日只有1小时REM睡眠。

在陆生动物中,初生动物有着最长的REM睡眠,并随着发育逐渐减少趋向于成体REM睡眠时间。因此有假说认为REM睡眠是与发育相关的。发育中的单眼视觉剥夺造成剥夺侧视神经投射异常,而该时期的REM睡眠剥夺可以加剧这种异常。因此REM睡眠对于视觉系统的发育有着重要影响。同时也提示REM睡眠可能对其他感觉通路的发育有作用。

关于成年动物REM睡眠的功能的一个解释是:是动物在更接近清醒的状态下醒来。多数动物是在REM睡眠阶段自动醒来,而从NREM睡眠中醒来的动物表现出较差的感觉认知能力和运动功能。在更觉醒的状态下醒来可以有更好的适应能力。在人类中,REM睡眠时长随着睡眠的进程而加长,一般睡眠中的第一次REM睡眠只有5-10分钟,而最后一次REM睡眠可以长达25分钟。在睡眠结束时候有较长的REM睡眠时间。在REM睡眠中,许多脑区的温度升高,而肌体温度则下降。

在人类中,个体可以通过增加睡眠时间来延长REM睡眠时间和增加REM睡眠所占比例,但这种增加并不引起下一次睡眠时REM睡眠时间的减少。焦虑可以减少REM睡眠的时间,而急性应激可以显著增加REM睡眠时间,尽管急性应激可以导致入睡困难。这说明REM睡眠是和情绪密切相关联的。

对单胺能系统的调控

单胺能神经元如5-HT,去甲肾上腺素,组胺能神经元的活动在REM睡眠时期停止,提示了REM睡眠的另一种可能功能。因为这些系统在清醒状态下总是持续活动,REM睡眠可以使这些系统休息并重新恢复功能。REM睡眠剥夺在临床上有一定的抗抑郁的作用,这可能和REM睡眠抑制单胺能神经元活动有关。

REM睡眠剥夺还可以使动物体温下降。由于REM睡眠时期是动物体温最低的时期,很可能肌体的温度调控机制在这个时期恢复。而体温控制很大程度上是由单胺能传递来实现的,这可能也与REM睡眠对单胺能系统的修复有关。

梦的功能

梦是指在睡眠中的非实际的感觉认知,做梦者常常不只是旁观者而且是参与者。梦多数时间发生在REM睡眠时段,可能是由脑桥的兴奋引起的。但在非REM睡眠时期也会有梦的发生。相比于非快速眼动睡眠时期的梦,快速眼动睡眠时期的梦更长,更鲜活而富有色彩,更情绪化。

至今已有很多理论来解释梦的功能。弗洛伊德认为,梦是落空了的潜意识的希望的符号化的表示,他通过精神分析学来释梦,从而了解这些潜意识。现在科学家在怀疑弗洛伊德的学说,而更强调梦在组织和巩固记忆中的作用。而且,在面对压力的时候,梦可能更能帮助我们解决心理上的问题。

第二个问题:

人睡觉的时候身体在做什么?

前面我说第二个问题相对更好回答,并不是说第二个问题我们了解的更多。

第一个问题事关功能,需要了解睡眠的各种特性,在此基础上去猜测功能,所以很多结论不够确定。

第二个问题直接问在睡眠时候身体发生了什么,其实检测到了什么就是发生了什么,简单粗暴直接明了。

对第二个问题就不详细说了,最基本的东西教科书上都有。

在哺乳动物和鸟类中,通过分析睡眠中的眼动可以把睡眠分为两大阶段——快速眼动睡眠(rapid eye movement REM)和非快速眼动睡眠(non-rapid eye movement NREM)。睡眠过程是4个不同的非快速眼动睡眠阶段和快速眼动睡眠阶段的循环,Rechtschaffen 和 Kales在1968年描述了各个睡眠阶段的特点,这些阶段在睡眠中的顺序如下:stage1-stage2-stage3-stage4-stage3-stage2-stage1-REM,每个阶段都有特定的生理特征和心理特征。在人类中,这个循环大约需要90-110分钟,在上半夜,stage3和stage4的时间比较长,而在下半夜,REM睡眠的时间会更长一些。药物如酒精和安眠药能够抑制特定阶段的睡眠,这样的睡眠并不能完全完成正常睡眠的功能。

快速眼动睡眠的特点并不仅仅是眼球的快速运动,同时也包括高频率低摆幅的脑电和活动减少的肌电。梦大多数都在此阶段产生。

非快速眼动睡眠大约在成年人睡眠中占75-80%的时间。在非快速眼动睡眠中,梦相对较少。非快速眼动睡眠包括4个阶段,stage1 和stage2是浅睡眠阶段,stage3和 stage4是深度睡眠或称慢波睡眠。这四个阶段是用脑电来区分的,在非快速眼动睡眠中,四肢的运动较快速眼动睡眠频繁,梦游一般都发生在非快速眼动睡眠阶段。睡眠姿势循环的改变也发生在此阶段。

根据AASM(American Academy of Sleep Medicine)在2007年修改的标准,四阶段的特征如下:

stage1,脑电从清醒状态的alpha波转为theta波,这个阶段可以描述为昏昏欲睡。stage1是睡眠的起始阶段,在这个阶段,肌肉开始放松,人开始失去意识。

stage2过程中,脑电频率约为12-16HZ,在这个阶段,肌电比stage1降低,意识完全失去。这一阶段约占睡眠的45-55%时间。

stage3,delta波,也称delta节律,(0.5-4HZ),构成stage3 50%一下的脑电组成。这一阶段是部分的深度睡眠,并向stage4过渡。梦魇,梦游,尿床和梦话会在此阶段出现。

stage4,delta波占据50%以上的时间,是深度睡眠。

REM睡眠和NREM睡眠中的stage4和stage3是自我稳态控制的。若特异性剥夺动物的某阶段睡眠,它将在下一次睡眠中补充过来。这说明了不同阶段睡眠功能的不同。

下面是看图说话。

先看脑的状态,通过EEG(脑电图)来监测。

通过对监测到的EEG的幅值和频率进行分类,大概有这么几种波型,在睡眠的不同阶段反复出现:

在一个睡眠周期里面,这几种波形是交替发生的。如下图

与此同时,身体的变化是这样的(下图中, EEG:脑电图,EOG:眼电图, EMG: 肌电图,Heart rate:心率, respiration:呼吸,penile erection:阴茎勃起 )。对于女性来讲,阴蒂的充血也是有报道的。当然,这只是教科书上列出的比较明显的变化。身体的变化不仅仅是这些。

说明:

我直接贴一下参考的文献的图吧。另外,睡眠功能那部分,有两段我直接翻译并简写了nature.com 的页面中的观点,因此,请最好不要转载。文中图片来源为此书Neuroscience, Fifth Edition: Dale Purves, George J. Augustine, David Fitzpatrick, William C. Hall, Anthony-Samuel LaMantia, Leonard E. White: 9780878936953: Amazon.com: Books,和此书Psychology: Core Concepts, Books a la Carte Edition (7th Edition): Philip G. Zimbardo, Robert L. Johnson, Vivian McCann Hamilton: 9780205215058: Amazon.com: Books  

历史曾有报道可有人持续数年甚至数十年无需睡眠而健康生存的。Thai Ngoc,越南人,1942年生,他自从1973年经历一场发烧之后,持续33年未睡,期间除了轻度的肝功能下降之外,没有明显的健康损伤。在2005年1月份,RIA Novosti发表了一篇关于乌克兰人Fyodor Nesterchuk的文章,Fyodor Nesterchuk宣称自己二十多年来从未入睡。当地的医生Fyodor Koshel为他做了多项的检查,但未能使他入睡,而且Koshel没有发现Nesterchuk有睡眠剥夺中常见的症状反应。但是在实验室中的研究发现,在检测一些声称自己没有睡眠的人的脑电时候,会发现睡眠特异的脑电波,所以这些人的问题可能在于,他们并不记得自己曾经睡过。在睡眠剥夺试验中发现,睡眠缺失的人时常会有数秒钟的昏睡,而他们并不记得这些昏睡的时候。这可能也是对Thai Ngoc 或Nesterchuk等人现象的一种解释。

上篇:动物之间也存在“奴隶贸易”

下篇:混账、耳旁风都有什么故事?