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科学家不但研究睡眠如何产生,他们还想研究我们为什么要睡觉| 张珞颖 一席第597位讲者

张珞颖 一席


张珞颖  华中科技大学生命科学与技术学院教授


最极端的一个例子是,有一只雄矶鹞连续19天,每天睡不超过1个小时,然后在这个过程中它们的认知功能是不下降的。进一步的研究还发现,睡得越少的雄矶鹞产的后代越多,越有竞争优势,就是说繁殖需求似乎也可以抑制睡眠。




我们为什么要睡觉?


大家好,我是来自华中科技大学的张珞颖。


我们一生中大概有三分之一的时间都是在睡眠中度过的,所以如果你今年30岁,那么你从出生到现在大概睡了有10年的觉了。


如果从一个更宏大的演化背景上来看,睡眠这个现象在地球上可能已经存在了数亿年了,地球上的动物已经睡了几亿年的觉了。虽然睡了很多年的觉,但其实我们并不是特别清楚我们到底是怎么睡觉的,或者说睡眠是怎么发生的。要研究这个问题的话,我们首先要搞清楚到底什么是睡眠。


从定义上来说,睡眠是一种行为上静止而且觉醒阈值升高的状态。那这个觉醒阈值是什么意思呢?就是说当动物或者我们人类进入到睡眠的状态以后,需要更强的刺激才能让我们或者让动物做出反应。


这是一个卓别林的老电影选段。从这里面我们可以看到,一只狗在它醒着的时候,我们只要接近它,它就会有反应,但是当这个狗睡着了以后,我们拎它的耳朵,拎它的尾巴,它都没有反应,这就是觉醒阈值的升高。



要研究睡眠的话,我们首先要能够测量睡眠,最标准的测量睡眠的方法就是检测脑电波。下图是一些典型的脑电波的代表图,绿色的是我们清醒时候的脑波。



根据睡眠状态的时候我们的眼球是否转动,睡眠又会被分为动眼睡眠和不动眼睡眠。我们通常所说的做梦就是发生在动眼睡眠阶段。


大家可能觉得做梦是很高级的一种现象,但是其实动眼睡眠这个阶段在一些爬行类动物和鱼类中就已经开始出现了。所以可能不只我们人会做梦,包括小鼠,然后一些鱼、鸟可能都可以做梦。


不动眼睡眠,根据它的脑电波发放模式的不同,被分为N1、N2、N3三个阶段。红色的就是N2阶段的脑电波。N1阶段因为跟清醒的时候比较像,所以在这里面没有展示出来。蓝色的是N3阶段,我们通常说的深度睡眠就发生在这个阶段。

这是一个健康的成年人一晚上的睡眠分布图。总的来说我们从图上可以看出来两个趋势,一是我们一整夜的睡眠大概就是在动眼与不动眼睡眠间交替往复进行的。二是深度睡眠主要发生在前半夜,做梦主要是发生在后半夜。



讲到这里我不知道大家醒着的还有多少,因为我觉得这个场子还挺适合打瞌睡的,所以要是我在演讲的时候你们睡着了这很正常,但如果我在演讲的时候我睡着了,这可能就是嗜睡症了。


嗜睡症患者可以在任何时候,说话的时候,站着、走路的时候,都有可能睡着。比如说左边视频里的这位小朋友正在大叫,然后突然就睡着了。



不光是人有嗜睡症,动物也有,右边的视频里的这只狗,它跑着跑着然后就倒下睡着了。



要解释嗜睡症,我们就要先解释一下睡眠到底是怎么产生的。从一个宏观的环路的层面来说,当我们脑内一些促进睡眠的脑区活跃了,抑制了一些促进清醒的脑区的活动,睡眠就得以发生了。


下丘脑会分泌一种叫作食欲素的激素。食欲素是一个多肽,它有促清醒的作用。如果分泌食欲素的脑区出现了问题,使得食欲素不能正常分泌了的话,就会得嗜睡症。如果反过来是那些促进睡眠的脑区出现问题的话,那就可能会导致失眠。



下面我再从微观的分子层面介绍一下睡眠是怎么产生的。这里要提出睡眠的一个基本特征,就是睡眠会积累,缺了觉就需要补,这在生物学上有一个专门的名称,我们把它叫做睡眠的稳态平衡


我们可以把稳态平衡机制想象成一个沙漏,在我们醒着的时候,它会一直积累我们的睡眠压力。直到我们进入睡眠,这个睡眠压力才能够得到释放。当睡眠压力释放完毕以后,睡眠就会结束,我们就会醒来。



稳态平衡机制的作用就在这里,它决定了我们会睡多久和睡多深。如果你一夜没睡,第二天可能就会睡得比平时要久和深。如果你工作日睡得比较少,那周末可能就会要补觉,会睡得特别地久,特别地深。从这里我们可以看出来,睡眠债跟我们欠的所有其他债一样,都是要还的。


“困”到底是什么呢?在我们的脑内有许多的化学物质,会作为媒介参与到稳态平衡机制的调控中。其中有一种叫作腺苷的化学物质,在我们醒着的时候会在脑内一直积累,它会有促进睡眠的作用。



那么如果有方法可以对抗这个腺苷的作用,是不是睡眠就可以被抑制呢?确实是有这样的方法的,最常用的一种可以对抗腺苷的物质就是咖啡因。它存在于我们常见的饮品当中,比如咖啡、红牛、各种茶,还有可乐等等。


腺苷在我们脑内可以跟它的受体结合,从而促进睡眠。而咖啡因会跟腺苷的受体结合,让腺苷不能跟它自己的受体结合,这样就可以抑制睡眠,促进清醒。



睡眠还有另一个特征,就是它会发生在一天中相对固定的时段,对我们人类来说主要是在夜间。但是即便都是在夜间睡觉,我相信在座的大家作息时间还是挺不一样的。


比如在座的可能有早睡早起的,每天叫醒我的不是闹钟而是梦想的这种,我们称作百灵鸟型的作息。然后也会有晚睡晚起的,可能每天最大的愿望就是睡到12点的这种猫头鹰型的作息



就我个人而言,如果我不受外界因素的干扰,那我大概是凌晨3点睡,上午10点醒,所以我也是一个典型的猫头鹰型的作息。我们从小到大受的教育可能会让我们觉得,这种不同的作息规律跟你是勤奋还是懒惰,或者是有没有好的生活习惯有关系。但是其实也不一定是这样。


上个世纪的90年代,在美国犹他大学的睡眠诊所,有一天有位睡眠医生迎来了一个60多岁的老太太,叫作Becky。Becky就跟这位睡眠医生说,我从小到大都早睡早起。然后这个睡眠医生说,那不是挺好的吗,早睡早起身体好。


然后老太太说,不是你想象的早睡早起,我是每天晚上7点多就困了,就需要睡觉了,每天凌晨4点多就会醒来。她说,在我年轻的时候这对我的生活造成了不小的困扰,晚上朋友约饭,开个party什么的,我都没有办法参加。


然后她说不仅她是这样,她的母亲,她的外祖父,她的兄弟,她的女儿,甚至是她的外孙女,都是这个样子。她也为这个事情看过很多医生,那些医生都说她有精神问题,所以她也挺困惑的,因为她觉得自己精神挺正常的。


这个睡眠医生听了这个事情以后,就进行了一个系统的调查,结果发现这个家族中确实有29个成员都有极度的早睡早起的现象。他又让6个成员到他的睡眠中心来,通过监测脑电波对睡眠进行了测量。然后他就发现,这些人的睡眠确实如Becky所说,比正常的人要早大概3个半到4个小时。



因为这个现象是整个家族都有,所以就是说它是一个可以遗传的现象。这位睡眠医生就决定进一步地去调查这个事情。他和一位遗传学家,也就是我在美国博士后的导师合作,他们发现了这些特别早睡早起的人其实是携带了一个罕见的基因变异。


这个变异发生在一个叫作PERIOD2(简称PER2)的基因里面,这个变异导致了PER2的DNA序列上的一个碱基对的改变,这个碱基对的改变导致它所编码的PER2蛋白有一个氨基酸的改变。因为PER2基因是一个生物钟基因,所以这么一个改变就影响了这些人的生物钟。


生物钟这个名词大家可能都听说过,它是我们体内的一种计时机制,会使我们的各种行为和生理过程表现出一种24小时的节律,我们称为近日节律。不只影响我们的作息时间,还有我们的方方面面。比如说我们的体温、心率、血压,甚至是情绪,都有24小时的节律。


生物钟与近日节律可能在几十亿年前就在地球上出现了。从最简单的单细胞生物,比如说蓝细菌,就是图上这个绿绿的东西,一直到各种复杂的植物、动物,都有生物钟和近日节律,所以它是一种比睡眠要古老得多的现象。



这其实也挺合理,挺容易理解的。因为睡眠只是生物钟调控的无数个生命过程中的一个。在分子层面,生物钟是由十几个基因组成的一个反馈环路。



去年的诺贝尔生理医学奖,就颁给了首次在果蝇里克隆出生物钟基因的三位科学家。这个基因叫作period,简称per。果蝇的per基因在哺乳动物里,包括我们人里面是有3个,分别叫作PER1,PER2和PER3。PER2就是我前面讲到的,它的变异导致了那个大家族的极度早睡早起。



我们实验室研究的方向是PER3基因,我们发现PER3基因的罕见变异也可以导致人极度地早睡早起。除了早睡早起,他们还有一种情绪病,叫作季节性情感障碍,俗称冬季抑郁


这个病的主要特征就是,患者在每年的秋天会开始出现一些抑郁的症状,然后到冬季的时候,也就是每年12月、1月、2月的时候是最严重的,到了次年的春夏又会自发好转。季节性情感障碍在人群中的发病率大概是1%到10%,这提示我们,生物钟和近日节律的紊乱可能与精神疾病也有关联。


前面我给大家讲的两个都是百灵鸟型的早睡早起的变异,还有些变异是可以导致夜猫子型的作息的。比如说美国的科研人员发现,在这个叫作CRYPTOCHROME1的生物钟基因里面的变异,就可以导致人的极度晚睡晚起。


其实在人群中夜猫子型的作息是比百灵鸟型的要多的。其中有一部分是像带了CRYPTOCHROME1基因变异的人一样,是因为一些基因变异导致的。但是还有一些可能是因为环境因素导致的。比如说你晚上其实已经很困了,但是还想玩游戏看电视剧,不想睡觉。


同一个人在年轻和年老的时候生物钟也不一样。青年人,特别是十几岁的青少年,他的生物钟更加倾向于晚睡晚起的。但现实情况是,青少年每天上学的时间还挺早的,一般是8点钟或者是7点半,甚至更早。就是说现在这种上学的时间,是要强迫一群本来是夜猫子型的青少年早睡早起,这对于他们其实是挺痛苦的,而且对他们的健康也不太有利。



现在国外有些学校开始试行推迟上课的时间,他们认为这可能会更有利于这些学生的健康,以及他们的认知表现,也就是学习成绩。所以如果你的孩子在上课的时候睡着了,请你原谅他,这不一定是他不认真,这可能是他的生物钟导致的。


听到这里可能会有观众想,听了很多道理,还是睡不了一个好觉。所以接下来我要和大家聊一下,一些广为流传的改善或促进睡眠的方法,它们是不是真的有效。


大家可能都听说过喝牛奶可以促进睡眠,喝牛奶是不是真的可以促进睡眠呢?牛奶以及其他的一些乳制品里面含有一种叫作色氨酸的物质,这种物质在一定程度上或许是可以改善和促进睡眠的。但是不只牛奶里面有,蛋类、鱼类、肉类、大豆类产品中也都富含色氨酸。


近年还流行一种睡眠糖。睡眠糖是什么呢?它的主要成分其实就是褪黑素,褪黑素是帮助我们调节生物钟的,从这个角度上来说它可能在一定程度上可以改善睡眠。但是它最主要的功效是倒时差,而且这个效果还因人而异的,并不是对每个人都有效。


我们小的时候睡不着,爸爸妈妈会说睡不着可以数羊,数羊是不是真的可以帮助入睡呢?如果你在数羊的过程中可以让自己更放松的话,那它一定程度上是可以促进睡眠的。但是一些研究报道说其实在数羊的过程中,很多人是越数越兴奋,越数越焦虑,这样反而会起反作用。


还有一种大家应该都听说过的可以改善睡眠的方法,就是安眠药。常见的安眠药是作用于我们脑内的神经递质系统,神经递质系统确实调控睡眠,但是它还负责执行我们脑的各种功能,所以安眠药不仅会对你的睡眠产生影响,可能还会影响我们的情绪、认知功能包括学习记忆,甚至是运动功能等等,所以在使用安眠药的时候一定要小心谨慎。


其实除了利用药物来改善睡眠,还有一些认知行为疗法也可以改善睡眠。比如说把睡眠和卧室以及床建立一个关联,在卧室里、在床上,就只进行睡眠。如果要玩手机、看书、看电视,就不要在卧室和床上进行。如果能比较好地建立这个关联,当你进入到这个环境里就会比较容易睡着。


所有的科学问题,我们不但要知其然,还要知其所以然。所以科学家们不但要研究睡眠是如何产生的,他们还想研究我们为什么要睡觉。大家可能会觉得,我们为什么要睡觉这个问题还需要研究吗?我们当然要睡觉了。


但是如果你仔细想一想,睡觉其实也不是那么理所当然。当动物进入到睡眠的状态以后是不能进食、不能繁殖,甚至是不能保护自己的。


但是即便动物要付出那么大的代价,却依然要进行睡眠,那么睡眠应该是挺重要的。对于我们人类来说,一晚上的睡眠不足就会导致认知功能的下降,这个大家可能都有体会。一晚上没睡好,第二天就感觉笨笨的。如果长期缺觉的话,会增加罹患多种疾病的风险,包括肥胖症、糖尿病、癌症、精神疾病等等。


如果把大鼠放在图中这样的一个装置里面,对它进行持续的睡眠剥夺,大概过两周的时间大鼠就会死亡。但是到底为什么会这样,我们还不太清楚。



目前关于睡眠对脑的影响,一个比较流行的假说是,在睡眠过程中我们脑内的神经元会得到一些修复。在脑内神经元之间会形成连接,构成一个网络,在醒着的时候,因为脑要接收大量来自外界的信息,这些神经元需要接收处理传递这些信息,在这个过程中它们(尤其是神经元的连接处)就会发生一些形态和功能上的改变。



当我们进入到睡眠以后,这些形态和功能的改变可以得到一定的恢复。以便于我们再次醒来的时候,这些神经元可以更高效准确地处理和传递新的信息。


但是我前面说了,睡眠不足对我们的危害是方方面面的,所以睡眠的功能应该不止于此。在生物学领域有一句广为流传的话,是一位著名的演化生物学家说的:Nothing in biology makes sense except in light of evolution。大意就是说,任何生物学的问题都要从演化的角度去分析才有意义。


那么我们不妨从从演化的角度想一想,为什么要睡觉?为什么地球上的动物已经睡了几亿年了?如果从这个角度来分析的话,我们可能会得到一些新的提示。


虽然地球上大多数动物都需要睡觉,但它们的睡眠其实还挺不一样的。比如说一种叫作夜猴的动物,它就睡得比较久,每天要睡大约17个小时。你的宠物猫大概每天要睡12个半小时。我们人类一般需要8个小时左右的睡眠。而有一些动物就睡得比较少,比如说山羊和马,它们每天大概睡5个多小时



到这里大家可能会想,那会不会还有动物睡得更少,甚至是不睡觉的?也是可能有的。比如说一些在水里生活的动物,像海豚,它从来不会出现行为上的静止和觉醒阈值的升高,也就是我前面讲到的睡眠的定义。


科研人员通过脑电波的分析发现,海豚的睡眠其实是左半脑和右半脑交替进行的,就是说脑的两个半球不会同时进入到睡眠的状态,所以它从来都不会出现标准意义上的睡眠。


这些动物睡眠长度都不一样,这反应了它们的睡眠的需求是不一样的。为什么会这样呢?或许是因为它们的生存环境不一样,为了适应生存环境,为了要完成某些特殊的生命过程,它们对睡眠的需求就会不一样。假设有一些生命过程比睡眠还要重要的话,那它们可能就会舍弃睡眠。


不仅不同的动物睡眠需求不一样,即便是同一种动物,比如我们人类,不同的人睡眠需求也会不一样。


我有一个朋友跟我说,她每天只需要睡5个小时。我开始是不信的,但是我前段时间去开会跟她住一个房间,我发现每天晚上我睡觉的时候她在看电视剧,然后第二天她仍然可以神采奕奕地去做各种事情,而我还是会和你们一样在听报告的时候睡着,我觉得她每天既有旺盛的精力工作,还有时间可以娱乐,让我非常地羡慕。


这种特质可能一定程度上是天生的,比如说美国的科研人员就发现一个家族中有一对母女,她们每天大概就睡5个半到6个小时,比家族里面正常的人要少大概1个半到2个小时,从小到大都是这样,而且她们没有经历任何缺觉导致的负面影响。不仅如此,她们还精力旺盛,动力十足。


遗传学家发现,这是因为这一对母女携带了一个罕见变异,在一个叫作DEC2的基因里面。我们把这样的一类人称为天然少睡者


其实还有一些常见的变异也会影响我们的睡眠需求。我前面讲到的那个生物钟基因PER3,也是我们团队研究的那个基因,它有一段54碱基对长的DNA序列,在有的人里面这段序列重复了5次,有的人重复了4次。


大家在座的大多数应该都是重复4次的,但是也有少数人是重复5次的,他们就比较不幸了。因为他们在睡眠剥夺的时候会更容易感到困,他们也会因为缺觉而导致认知功能受到更大的影响,在补觉的阶段他们也会睡得更深,也就是说他们积累了更多的睡眠压力,我们可以把这样的一类人称为天然易困者


睡眠的多与少也不全是先天因素决定,我们在生命中不同的阶段,睡眠需求也是不一样的。一般来说随着年龄的增加,我们的睡眠需求会逐渐地减少。除了年龄的影响,一些特殊的环境也可以影响我们的睡眠需求。


我讲一个自身的经历,在我高考的时候,那个时候还需要考3天,那3天里我完全没合眼,根本一点都睡不着。但是我白天的时候没有觉得困,也没有认知功能下降。不但没有考得比较差,还超常发挥了,比正常水平大概高了30多分,高考完了以后我也没有需要补觉。


所以从我们现在理解的角度去分析的话,那3天应该是没有积累睡眠压力的。到现在我也没有办法解释这个现象。


我在美国做博士后的时候跟合作的睡眠医生聊天,他说他也遇到过一个案例。有一个睡眠正常的人在大概长达一年的时间里,因为一些学习还有工作的需要,每天就睡5个小时多一点,但是这一年里他也没有经历缺觉导致的各种负面影响,所以似乎也没有积累睡眠压力。


在动物的研究中其实也报道了一些类似的现象。有研究显示,饥饿可以抑制睡眠,促进清醒。我想大家也有过类似的经历,比如说你要减肥,晚上不吃饭,到夜里就会饿得睡不着。不但人会这样,动物也会,比如果蝇也会饿得睡不着。


果蝇饿得睡不着挺有意思的。如果果蝇经历正常的睡眠剥夺的话,它是需要补觉的,左边这个黑色的柱子显示了补觉的量。如果是因为饥饿导致的睡眠减少,果蝇它基本上是不需要补觉的。可以看到那个灰色的柱子,基本上它的量在零左右。


正常的睡眠剥夺会导致果蝇学习能力的下降,但是因为饥饿导致的睡眠减少,果蝇的学习能力也不会下降。所以这告诉我们,饥饿导致的睡眠减少好像也没有积累睡眠压力。


还有一个例子,是一种叫作矶鹞的鸟,在繁殖季的时候,雄矶鹞的睡眠会大幅减少,它不睡觉的这些时间主要用来追逐竞争雌矶鹞,完成它的求偶活动。


最极端的一个例子是,有一只雄矶鹞连续19天,每天睡不超过1个小时,然后在这个过程中它们的认知功能是不下降的。进一步的研究还发现,睡得越少的雄矶鹞产的后代越多,越有竞争优势,就是说繁殖需求似乎也可以抑制睡眠。



这一系列大量存在的、我们没有办法解释的特例告诉我们,我们对于睡眠的认识还是非常地少。睡眠是一个古老而又日常的现象,但是到现在我们也没有一个很好的答案去解释我们为什么要睡觉。假如有一天我们能够很好地回答这个问题,就可以比较好地认清睡眠的功能,然后才能真正了解睡眠的本质。


我们可以脑洞大开地想象一下,假如有一天我们发现睡眠需求的本质其实就是某些生物化学物质的增加和减少,当然这可能是对于睡眠需求的一个过于简单的假设,我就是举个例子。如果是这样的话我们或许可以每天服用一粒药丸,把多的物质给减少,把少的物质给补充,这样就满足了我们每天的睡眠需求,我们就可以不用睡觉了,或者至少不用每天睡觉。


如果是这样的话,我们的人生就多了三分之一的时间,是不是就变相地长寿了?你或许会觉得这个听起来不可思议,连科幻电影都不带这么演的,但是我们在进行实事求是的科学研究的同时,也可以有一点这种看似不靠谱、不着调的想象。毕竟爱因斯坦都说过,想象力比知识更重要。


最后我祝大家在想睡觉的时候都能睡个好觉,在不想睡觉的时候都可以不用睡觉。


谢谢大家。




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