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为什么我们需要睡眠?

原理  · 公众号  · 科学  · 2018-01-09 21:14

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Natalie Andrewson


位于日本筑波的 国际综合睡眠医学研究所 是一个只有五年历史的年轻研究所,但它已成功吸引了全球120多位各个领域的优秀研究人员的加入。研究所的所长 Masashi Yanagisawa 获得了日本政府资助,在筑波大学建立了一个大型的睡眠研究基地。


在这里,他们的研究重点并非那些常见的导致睡眠问题的原因及疗法,而是 睡眠相关的基础生物学。 科研所里硬件设施配备优越,有着大量高精尖的科研设备,安静的专供小鼠睡眠的研究室,以及与螺旋梯融合在一起的宽敞的工作空间。斥巨资打造的一个这样的科研中心,目的就是为了能集中最优资源来探讨 生物为何需要睡眠 这一基础大问题。


睡眠于我们而言是如此熟悉和普遍,但它背后所蕴含的科学却又如此神秘。即使是简单得像水母一样的动物,在被迫“熬夜”后,也会需要休息更长的时间来恢复“熬夜”所带来的疲劳。而且这种弥补性睡眠不仅出现在水母和人类身上,还普遍存在于整个动物王国中。


生物学家将这种需求称为“ 睡眠压力 ”:熬夜太晚,会加重睡眠压力。晚上的昏昏欲睡感,是因为白天的清醒状态在持续的累积睡眠压力。但“睡眠压力”这一概念就如同物理学中的“暗物质”一样, 我们并不知道它是什么,又具有怎样的性质


越深入思考睡眠压力,就会发现等待我们去揭示的谜团有很多很多。例如,什么东西在清醒状态中积累,在睡眠过程中释放?睡眠压力像是一个计时器一样吗?或者是每天累积的某种需定时清理的分子?又或者是某种锁在大脑内的计时装置,每晚都在等待被清零?


换句话说,Yanagisawa 问道,“ 睡眠的物质基础是什么?


从生物学角度对睡眠压力的研究始于一个多世纪以前。其中一位法国科学家曾完成的实验尤为著名:他让狗保持十天以上的清醒状态,然后从它的大脑中抽取出液体,再将得到的液体注入正常的得到良好休息的狗的大脑中,发现休息好的狗在被注入提取液后会迅速入睡。 在被剥夺睡眠的状态下,导致了某种物质在这些液体中的累积,让狗狗昏昏欲睡。 那么这个墨菲斯(睡神)的小帮手究竟是什么物质呢?科学家称这种未知物质为 催眠激素 (hypnotoxin),对催眠激素的性质的探索或许有助于揭示为何动物会瞌睡。


到了20世纪上半叶,研究人员可以运用更先进的脑电图技术,对睡眠中的大脑内部情况进行监视。 通过脑电图他们发现, 大脑在睡眠过程中并非处于“关机状态”,而是有一个明确的例行程序。 随着眼睛的闭合和呼吸的加深,清醒时脑电波描记器上显示的激烈波动,会变成长长的初期睡眠波形。大约过了35到40分钟,新陈代谢减慢、呼吸变得均匀,此时睡着的人已不会轻易醒来。接着,再过一段时间后,大脑活动似乎出现反转,波形又开始变得小而紧凑:这时睡眠者进入了梦境的 快速眼动 (REM) 状态 。在一遍又一遍地重复这个循环后,睡眠者最后会在快速眼动的结尾中醒来。


睡眠压力能改变这些脑电波。 睡眠越少的受试者,睡眠越慢,在快速眼动开始之前的波形越大。科学家在许多动物实验中都观察到这种现象,包括鸟类、海豹、猫、仓鼠和海豚等。


如果你需要更多的证据,来证实睡眠并非一个被动的节能状态,可以参考那些从冬眠中醒来仍会犯困的动物。它们从睡梦中得到的,并不能在冬眠过程中获得。尽管在冬眠时它们体内的每一个反应几乎都放慢了速度,但睡眠压力仍在堆积。新研究所的研究员 Kasper Vogt 看着屏幕上显示的睡眠状态下小鼠的神经元放电数据说:“ 我想知道的是,为何睡眠压力这一大脑活动会如此重要?重要到对足以让动物愿意冒着被吃掉的风险、消耗大量可用来生育和猎食的时间?








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