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我们不知道答案的125个科学问题(84)睡眠的目的 精选

已有 4302 次阅读 2024-6-6 10:09 |个人分类:科学教育|系统分类:科普集锦

84.我们为什么需要睡眠?Why do we sleep?

题记:良好的睡眠可以使肌肉和器官恢复活力,而且能使动物避免夜间活动从而远离潜伏在黑暗中的危险。但生物体需要睡眠的真正秘密可能在于大脑,因为当我们睡眠打鼾的时候,大脑的活动不仅没有减弱甚至依然活跃。每个人都需要睡眠的生物学目的仍然是个谜。

1. 睡眠的重要性和生理作用

人生大概有三分之一以上会在床上渡过,所以符合生物钟节律的良好睡眠对人而言非常重要。大量研究表明,不良睡眠习惯与长期慢性健康损伤密切相关,失眠的人患心血管疾病、糖尿病和抑郁症等慢性疾病的可能性非常高。那睡眠的作用到底是什么?任何人都知道良好的睡眠会让人神清气爽、注意力集中、思维清晰和记忆力增强,总结起来睡眠主要有以下一些生理和心理的功能:(1)巩固学习和记忆: 睡眠有助于大脑提高注意力,帮助大脑记录和组织记忆,睡眠对学习至关重要;(2)情绪调节:睡眠可帮助人们调节情绪,更好地控制压力对身体和心理产生的影响;(3)判断和决策:睡眠能改变一个人识别危险和威胁的能力,健康的睡眠有助于正确的判断、良好的决策和应激能力;(4)解决问题: 研究表明睡眠可以提升一个人解决复杂问题的能力;(5)节约能量: 睡眠可以让人们通过减少活动来降低能量消耗;(6)生长和愈合: 睡眠提供了身体组织生长和修复损伤所必需的生长激素等清醒状态被抑制的激素释放;(7)免疫力: 睡眠能提高免疫功能,增强身体抵抗疾病和感染的能力。

脑积液.gif

1 睡眠中大脑周期性的洗脑过程

但为什么睡眠会带来这样的生理作用?2019年的一篇论文(Science 366: 6465, 2019)发现了睡眠过程中“大脑进水”的奇妙现象,如图1的动画所示。图1是一个流传非常广泛的脑部流体动画,当人进入睡眠阶段后,血液(红色)会周期性流出脑外,新鲜的脑脊液(蓝色)则相应从下部的第四脑室进入大脑,而这个脑脊液节律性清洗大脑的过程只有在睡觉时更为强烈(Deep sleep drives brain fluid oscillations),该过程能帮助大脑清理白天代谢产生的毒性蛋白(毒素或代谢产物,如和阿尔兹海默病有关的β淀粉样蛋白)。而在大脑处于清醒状态时,由于脑部其他生理过程的抑制,脑脊液进入大脑的波动很弱很轻缓,“洗脑”的效果很小,而在睡眠过程中脑脊液的波动巨大、波速极快,清洗的效果是白天的10-20倍。显然大脑在人睡眠的时候并非和人体一样是处于静息状态。

总之,由于人在清醒的时候,高强度的生理活动合成了很多生化物质和代谢垃圾需要整理或清理,白天被抑制的生理活动或过分的物质消耗需要得到补充或加强,所以睡眠在生理层次上具有修复机体、清理垃圾、恢复或补充能量及分泌激素的目的,从而能够产生上面所提到的一些表观生理作用效果,但这并非是人体需要睡眠的全部答案。

2. 睡眠的模式结构和循环

睡眠模式就是身体在特定睡眠阶段的循环方式。睡眠分为三个非快速眼动(Non-REM)阶段和一个快速眼动(REM, Rapid Eye Movement)阶段,如图2所示,这四个阶段构成了一个睡眠周期(sleep cycle),通常人的睡眠会在这四个阶段不断循环转换直到清醒,而这四个阶段的一个结构循环(每个阶段持续时间不同)通常会持续1.5-2.0个小时。睡眠的每一阶段都具有特定的脑电波和神经元活动特征,在睡眠期间人会经历几次非快速眼动和快速眼动睡眠的阶段循环,随着时间的推移,快速眼动REM阶段越来越长,越来越深。

图3-周期.png

图2 睡眠的不同阶段及循环过程

N1阶段: 这是最浅的睡眠阶段,是人从清醒到睡眠的过渡,通常只持续不到10分钟,此时人的心跳、呼吸和眼球运动变慢,肌肉偶尔抽搐而逐渐放松。脑电波脱离白天清醒的快速模式而减慢;N2阶段: 睡眠开始加深,大脑皮层活动减弱,但有些区域依然活跃,这个阶段的睡眠有助于记忆和学习。健康的成年人通常有一半的时间处于N2睡眠阶段,此时人的体温下降,眼球停止运动,脑电波活动继续减慢,但以短暂的电脉冲爆发为特征(睡眠纺锤波);N3阶段: N3睡眠也被称为慢波睡眠(SWS)深度睡眠,是NREM睡眠的最后阶段,这个阶段的睡眠会让人醒来时感觉神清气爽。此阶段人的血压降低,肌肉放松,心率和呼吸速度减慢到最低水平,脑电波变得更慢,身体开始分泌生长激素。通常N3阶段的时间大约占整个睡眠时间的10%20%REM阶段: 这个阶段人眼会间歇性地快速左右移动,在入睡后90分钟左右首次出现。梦大多数也发生在快速眼动睡眠期间,此时骨骼肌会暂时瘫痪,防止人们产生梦境中的肢体动作。人的呼吸变得更快和不规则,心率和血压上升到接近清醒时的水平,混合频率的脑电波活动也接近清醒时的情况。随着年龄的增长,REM睡眠的时间会越来越少。另外部分的记忆巩固也发生在这个阶段。此阶段占整个睡眠时间的20%25%,尤其在接近早晨的时候更多。人每晚大约花2个小时做梦,但梦境并不一定会产生记忆但部分会被大脑记录。做梦的确切目的或原因尚不清楚,但做梦可以帮助人处理情绪,白天发生的事情经常会在睡觉的时候进入梦境,遭受压力或焦虑的人更容易做紧张可怕的梦。梦可以发生在睡眠的所有阶段,但通常在快速眼动睡眠中最生动,有些人的梦是彩色的,而有些人是黑白的,他们往往说不出梦境中物体的颜色。

一个健康的人一晚上会多次经历这四个睡眠阶段的多次循环(见图2),如果发生经常性的睡眠中断,以及经常出现影响睡眠循环结构而产生睡眠障碍,如睡眠打鼾或呼吸暂停,导致无法完成睡眠结构中的某个阶段,这将会对身体健康和精神健康产生相应的严重后果。

3. 睡眠的生理基础

人类像地球上的所有其他物种一样,为了在24小时昼夜循环的地球上生存和繁衍,逐渐进化形成了和生理活动快慢节律相适应的睡眠-觉醒周期行为。根据一些睡眠理论,早期的人类在一个固定区域(庇护所)里睡眠,可以避开捕食者而提高生存率,并能通过睡眠保存或恢复体能;另一方面睡眠也能使生物不必去适应两种截然不同的生活环境:白天和夜晚,这将极大降低生物机体的复杂性和能耗。然而这种解释并不能回答为什么生物体必须睡眠,因为适应昼夜节律也可以是通过减少活动来达到,而不一定需要睡眠,所以人类按照24小时昼夜节律的生活模式并非是导致睡眠的必然条件。从生理上讲一个人醒着的时间越长,对睡眠的渴望就越强烈,所以和生物钟同步的睡眠-觉醒周期具有生理的内在驱动力,它和大脑活动紧密相关。每天随着夜幕降临,大脑开始释放睡眠激素如褪黑激素,人的困意逐渐增强,而当每天早晨随着光线的到来,身体停止释放褪黑激素,褪黑激素水平下降对大脑活动的抑制减弱,人就会逐渐苏醒。所以睡眠是大脑中枢系统根据昼夜节律进行的生物生理现象,在生理层面上依赖于大脑的组织结构。

图1-脑.jpg

3 与睡眠有关的大脑组织结构

与睡眠有关的几个大脑组织如图3所示。下丘脑(hypothalamus)是大脑深处一个花生大小的结构,它包含一群神经细胞,是睡眠和觉醒的控制中心。下丘脑内部的视交叉上核(SCN, 由数千个细胞组成的集群),能直接从眼睛接收光线照射的信息,并控制人体的行为节奏。如果人SCN受损,那么睡眠就会失调,无法与昼夜生物钟同步。其实大多数盲人有一定的感光能力,能够根据光线调整他们的睡眠-觉醒周期。而位于大脑底部的脑干(脑干包括中脑脑桥脑髓)与下丘脑沟通,控制清醒和睡眠之间的转换。下丘脑和脑干内促进睡眠的细胞产生一种叫做GABA的化学物质,它的作用是减少下丘脑和脑干中唤醒中心的活动。脑干(尤其是脑桥和脑髓)在快速眼动睡眠中起着特殊的作用,它会发出信号,让肢体运动肌肉放松,避免产生与梦境相关的肢体运动。

丘脑(thalamus)充当从感官到大脑皮层(大脑的覆盖层,解释和处理从短期到长期记忆的信息)的信息的中继。在睡眠的大部分阶段,丘脑会变得安静,让人忽略外部世界。但在快速眼动(REM)睡眠期间,丘脑会活跃地向皮层发送图像、声音和其他充满我们梦境的感觉。

Amygdala-scaled.jpg

4 大脑中的松果体示意图

松果体(pineal gland)位于大脑中央两个脑半球之间(如图4所示),它接收来自SCN的信号,并增加褪黑激素的分泌,褪黑激素有助于在灯光熄灭后让人入睡。那些失去视力不能利用自然光协调觉醒-睡眠周期的人,可以通过每天同一时间服用少量褪黑激素来稳定正常的睡眠模式。科学家们认为,褪黑激素的高峰和低谷对于使身体的昼夜节律与外部的昼夜循环相匹配非常重要。靠近大脑前部和底部的前脑(basal forebrain)也能促进睡眠和清醒,而中脑的一部分则起到唤醒系统的作用。基底前脑和其他区域的细胞释放腺苷(细胞能量消耗的化学副产品)支持你的睡眠动力,而咖啡因就是通过阻断腺苷的活动来抵消睡意的。杏仁核是一种杏仁状的结构,参与处理情绪,在快速眼动睡眠期间会变得越来越活跃。

4. 睡眠的时间

显然白天被抑制的脑组织必须在夜晚活动达到整理或修复、恢复或补充、消化或清理机体的保养作用,所以任何人必须保障足够的睡眠时间。一般成年人每晚至少睡7个小时,其他年龄阶段的正常睡眠时间见表1所示。然而,睡眠需求会因人而异,依赖于人的活动水平、健康状况、精神压力、睡眠环境以及饮食情况等等,这些因素都能影响人的睡眠需求。然而对睡眠最大的影响是光线,眼睛视网膜上的特殊细胞会感受光线,告诉大脑现在是白天还是夜晚,它可以提前或推迟人的睡眠-觉醒周期,过多暴露于光线下会使人难以入睡,睡眠浅容易醒来,醒来后难以入睡。夜班工人在上床睡觉时经常难以入睡,在工作时也很难保持清醒,因为自然昼夜节律打乱了他们的睡眠-觉醒周期;在时差反应的情况下,当人们飞往不同的时区时,昼夜节律与一天中的时间不同步,导致内部生物钟与实际时钟不匹配,这些都会影响人体所需要睡眠的时间。无论如何,人最佳睡眠时间通常会保持在一个特定的范围内,这取决于人的年龄和生活阶段,如下表1所示。

图2睡眠时间.png

表1 不同年龄阶段睡眠的时间

如果人达不到表1中的睡眠时间而产生睡眠不足,这将会导致严重的健康后果。仅仅一个不眠之夜就会让人难以集中注意力和清晰地思考,白天感到疲倦或懒散。睡眠不足会让人更容易感到烦躁,判断力变差,从而大大增加工作中犯错或发生车祸的风险。长期的睡眠不足会让人死亡的风险指数增加,它会产生以下几个方面的后果:(1)抑制免疫系统,增加疾病和感染的风险; (2)增加患心脏病、2型糖尿病和高血压的风险; (3)新陈代谢紊乱,增加肥胖的风险;(3)导致情绪障碍或波动,影响人际关系,容易产生抑郁和焦虑等精神疾病。

5. 改善睡眠质量

所以良好的睡眠是健康的关键,而良好的睡眠可以通过正确的生活习惯获得改善和提升:如每天早上至少接受20分钟的自然光照射;坚持有规律的睡眠时间表,养成放松就寝的习惯;确保卧室环境凉爽、黑暗、安静、舒适;睡前一小时不接触带有屏幕的电子产品;有规律地在一天的早些时候适当锻炼;睡前几个小时避免酒精、尼古丁和咖啡因或过多食物的刺激。但如果在采取了这些步骤后仍然无法改善睡眠,就必须通过治疗来改善睡眠了,不然身体很快会因为睡眠出现健康问题。



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