半个大脑睡觉(2016)

他说：“这一夜的安息不属于我们。它不是我们存在的财产。睡眠在我们心中为幽灵打开了一座客栈。早上我们必须扫除阴影。“。

苍蝇、鸟、老鼠、狗、猴子和人都需要睡觉。也就是说，他们每天都表现出相对静止和对外界刺激(如光、声音或触摸)缺乏反应的时期。这种对外界事件的敏感度降低将睡眠与安静的休息区分开来，而从睡眠中唤醒的能力则将睡眠与昏迷区分开来。尽管睡眠会让睡眠者无法面对潜在的威胁，但为什么睡眠会成为整个动物界日常生活的一个显著特征，这仍然是个谜。

尽管如此，在过去的一个世纪里，由于能够记录大脑(通过脑电图，或颅骨表面的脑电图)、眼睛(通过眼电图，或EOG)以及面部或其他肌肉(通过肌电图，或EMG)的电活动，在表征睡眠大脑的生理和能力方面取得了很大进展。对于科学家来说，正是这三项同步测量在操作上定义了睡眠状态，导致了令人惊讶和违反直觉的洞察力。

即使没有这些工具，我们也确实知道一些关于睡眠的基本情况。对我们的大脑来说，正常运作是必不可少的。我们中的大多数人都熬夜了，或者想睡一觉，但睡不着，无法停止思考。第二天，我们变得易怒，眼睛睁不开，在需要持续关注的任务上表现得很糟糕。事实上，睡眠不足导致了许多交通事故，这就是为什么各国有法律规定卡车司机必须有最短的休息时间和最长的工作时间。

睡眠是为了大脑，而不是为了身体。否则，在床上狂欢八个小时看我们最喜欢的电视剧可能会取代睡眠。因此，我们需要观察睡眠中的大脑，以便更好地理解我们一生中三分之一的时间处于一种状态的原因和方式。

关于睡眠的科学研究的一个里程碑出现在1953年，当时芝加哥大学的尤金·阿瑟林斯基和纳撒尼尔·克莱特曼发现了两种截然不同的睡眠形式--快速眼动睡眠(REM)和非快速眼动睡眠(NREM)--在那之前一直没有被注意到的区别。当受试者醒着时，在进入这两种状态之前，他们的脑电波通过头骨上的脑电图电极记录下来，显示出典型的电活动模式-低幅度、高频信号-而他们的EMG显示肌肉张力升高(见上图)。

随着人们入睡，进入较轻的NREM阶段，然后进入较深的阶段，也就是众所周知的深度睡眠，他们的脑电波逐渐变慢，而幅度却在增加。作为清醒标志的眼球运动停止，肌肉紧张度减弱。根据叫醒睡眠者的难度来衡量，随着睡眠的加深，这个人的脑电图也会增加。在夜间最安静的睡眠状态下，脑电图主要由高幅度波或振荡主导，这些波或振荡会慢慢消长。头盖骨正下方新皮质中单个神经细胞的电记录显示，有规律地出现ON周期，即细胞发出一系列全有或全无的电脉冲，称为棘波，就像人醒着时发生的那样。脉冲与关闭周期交替，此时神经元变得沉默。这些开关期和脑电图中的相关慢波被称为慢波活动(SWA)，每秒发生四次或每四秒发生一次(覆盖的频率范围从0.25到4赫兹)。

NREM睡眠被较短的REM睡眠时段打断，在此期间，EEG有一个截然不同的特征：慢而大的波被表面上类似清醒大脑的快而起伏的波所取代。在单个新皮质神经元的水平上也可以看到同样矛盾的激活，这些神经元发射尖峰的强度与白天相同。肌肉紧张度消失了--实际上身体已经瘫痪了--除了呼吸肌肉和每只眼睛的剧烈、快速和对称的运动，这就是这个睡眠阶段的名字。

晚上的大部分时间都是在NREM度过的，最能恢复体力的深度睡眠和与之相关的SWA占据了整晚睡眠的20%到25%。慢波活动受稳态调节--也就是说，一个人醒着的时间越长，第二天晚上出现的慢波就越深、越频繁。相反，清晨，当睡眠压力减轻时，SWA减少，睡眠变浅。同样，午睡可以减少夜间的慢波。

现在市场上的许多消费设备通过耳机以与SWA相同的频率播放常规的柔和音调，以吸引深度睡眠波，从而诱导更舒适的动力睡眠。

直到最近，人类的深度睡眠还被认为是一种全球性的状况：一个人要么睡着，要么醒着，但不能同时睡着和醒着。换句话说，他们的大脑要么处于以慢波活动为特征的深度睡眠中，要么处于清醒状态，但不是两者兼而有之。然而，鸟类和海豚、鲸鱼等水生哺乳动物表现出单半球慢波睡眠的显著现象：它们大脑的一半是清醒的，包括睁开的眼睛，而另一半则显示出睡眠的电信号。这很可能是一种保护机制，使动物能够飞行或游泳，并监测其环境中一个半球的威胁，而另一个半球则得到休息。

现在事实证明，即使对人们来说，睡眠也比(闭上)眼睛所能看到的要多得多。经常旅行的人会熟悉第一晚效应，即在一个陌生的地方，无论是酒店、朋友的公寓还是帐篷，最初的一晚都比随后的夜晚更不安宁。我们发现更难关闭我们的大脑，醒来时头昏眼花。布朗大学(Brown University)佐佐木由香(Yuka Sasaki)和渡边武夫(Takeo Watanabe)领导的一组研究人员着手调查这一现象[参见“为什么我们在陌生的床上辗转反侧”。]。

11名健康志愿者在一台先进的神经成像扫描仪中睡了两晚，该扫描仪可以记录大脑微弱但不断变化的磁场。科学家们专注于慢波活动，在左半球的四个网络和右半球的四个网络中测量其强度。有趣的是，他们发现第一晚左侧皮层默认模式网络--一组与走神和白日做梦相关的互动区域--的SWA比右侧的要少。在扫描仪的第二个晚上睡觉时，没有出现这种不平衡。此外，第一晚的SWA模式越不对称，受试者入睡的时间就越长。从本质上讲，在第一个晚上，左半球的一部分没有右半球睡得那么深。

为了测试左脑在陌生环境中更加警觉的程度，研究小组通过耳机向13名受试者发送声音(与最初的11名志愿者不同，他们现在已经习惯了睡眠设置)。大多数声音都是一样的，但在极少数情况下会发出不同的声音：哔、砰、哔、哔。这种古怪的语气引起了人们的注意，并引发了标志性的电气反应。当异常音调被播放到左耳时，它的输出主要传递到右半脑皮质，这显示出特有的警觉反应。

在第一个晚上，与右半球相比，左半球对这些异常音调有更明显的警觉反应。增强的警觉反应也导致左脑比右脑更频繁地被唤醒(根据脑电图标准)。

在扫描仪的第二阶段，左半球和右半球对奇怪的声音反应都很弱，就像他们对两个晚上的刻板印象的嘟嘟声所做的那样。如果左侧大脑皮层的大脑网络充当睡眠者的守夜人，那么只由左脑(通过右耳)记录的不规则事件应该会比发送到右脑(通过左耳)的古怪声音引起更快的反应。这一想法在由11名志愿者组成的第三组中进行了测试：每当他们在扫描仪中睡觉时听到声音时，就必须轻轻地敲击手指。(我知道，这听起来不像是最安心的睡眠方式；他们也不允许喝咖啡因或酒精，也不允许白天小睡。)。在第一个晚上，投射到左半球的声音比传到对侧耳朵和大脑半球的声音更有可能引发觉醒。这种左右不对称在第二晚的睡眠中消失了。此外，与右脑相比，左脑对异常声音的反应所需的时间更短。

简而言之，当睡在陌生的地方时，左脑的大脑皮质比右脑更警觉，反应更强更快。从进化角度看，这种反应很有道理。重要的是，当我们睡觉时，哨兵--这里是左侧大脑皮层默认模式网络--监控未知环境中的威胁事件。事实证明，人类的大脑被赋予了一种不那么戏剧性的单半球睡眠形式，在鸟类和一些哺乳动物中发现了这种形式。对人类来说，熟悉一个地方会催生一夜的深度睡眠。

如果我们认为经常与我们同床共枕的人--无论是配偶、伴侣还是孩子--是环境中最重要的社交成分，那么我怀疑，在我们熟悉的卧室里独自入睡的第一个晚上，左脑可能也会更加警惕。它知道有什么不对劲，因此我们会睡得更不安稳。

在我的下一篇专栏文章中，我将讨论另一项最新发现：深度睡眠能在多大程度上侵入我们清醒的大脑。

人类睡眠中单侧大脑半球的夜间守夜与第一夜效应相关。玉木雅子等人。《当代生物学》，第26卷，第9期，1190-1194页，2016年5月9日。