[本文“睡眠快速眼动(REM)的信息处理”是为《10000个科学难题-信息科学卷》p.361-363,科学出版社 2011, 写的一个专题篇的稿，并拟继续修改和补充，欢迎提出质疑或建议。]

睡眠快速眼动(REM)的信息处理

Information Processing of  Rapid Eye Movement in Sleep

一. 睡眠快速眼动简介：

健康人在正常睡眠期间会间歇地出现一种快速急剧的眼球运动，称为快速眼动（rapid eye movement，REM），每晚约出现3~4次，一次持续期为几分至50分钟，累计共约2小时左右，在时间上与“梦”同步发生，且在REM时期脑血供应量明显增加。这一方面提示了在睡眠期间人脑并非处于静止休息状态，而是周期地进行着高强度的神经信息处理活动；另一方面也揭示“梦”并非睡眠中的偶发现象，而是一种正常睡眠过程中必然的生理现象[1]。

在上世纪50年代，Aserinsky和Kleitman首先以详尽的实验记录报导了睡眠中快速REM眼动现象的规律以及与梦的关系，这是人们第一次对睡眠及梦以客观记录眼球运动方法进行的实验研究，突破了以往凭主诉回忆、或用“自我”“本我”之类所谓心理分析来对梦睡眠的猜测的局限性，研究结果于1953年首次发表在Science后，就吸引了大量研究者的兴趣，在该文发表50周年的2003年，J Neuropsychiatry Clin. Neurosci. 还全文重刊了原文[1]，说明它在梦睡眠研究中重要作用，也表明睡眠快速眼动至今在生命科学和信息科学等多种交叉学科中受到关注，急待深入研究。

二. 睡眠快速眼动REM的“反向学习机制”（Reverse Learning Mechanism）猜想：

人在正常睡眠中皆发生间歇性快速眼动REM并与梦同步, 这种REM在脑信息处理中究竟起何作用？这吸引了DNA基因发现者Crick及其同事用大脑神经网络的“反向学习”假设来解释其脑信息处理[2]：认为大脑皮层正如Hopfield人工神经网络中描述的平行处理式联想记忆网络[3]，能对一组模式样本输入通过学习改变权重系数来更新神经元的突触连接，然后在新信息模式输入时，网络由突触权重求和运算再经非线性激励函数后，自动导致汉明 距离(Hamming distance) 最近的神经元呈现激活状态，也即得到联想结果（也称作“吸引子”，Attractor）；Crick假设：大脑的成长或生活经验的学习过程所塑造的神经元突触联接都难免会有联接错误，形成错误的寄生吸引子模式（parasitic attractor modes）,它们会导致脑产生奇异联想（bizarre association）、或顽固地产生同一联想状态的强迫观念（obsession）、或因不当反馈信号使在无输入信息下造成幻觉（hallucination），睡眠中发生快速眼动（REM）活动正是脑在睡眠中以“反向学习”来消除这些产生这些寄生模式的神经突触联接错误。趁大脑睡眠状态下处于与外界的输入输出皆被阻断，从脑桥-膝状体-枕叶发出PGO波（Ponto-Geniculo-Occipital wave）随机信号来励神经网络系统，产生快速眼动REM，同时促成梦境中各种非现实的幻觉出现, 使其中错误寄生模式都被激发出来，再经“反向学习”在神经突触联接中校正消除。Crick认为这种“反向学习机制”虽然目前还不易用实验来验证，但比其它的假设都更合理。

三. 对“反向学习机制”的质疑，以及其它机制探讨：

1.“反向学习机制” 假设本身还存在一些疑问：例如：幼婴儿每天睡眠中的快速眼动REM时间累计多达8小时以上，为青年期每晚快速眼动期REM（约两小时）的4倍，但如何解释婴儿脑部神经网络联接的错误比成年时大如此之多？尤其是幼婴视知觉经历很少甚至尚未睁眼，其大脑如何界定正常经验知觉与视幻觉？虽然脑研究也报导了人类发育过程从胎儿直到青春期，都是大脑皮层神经突触密度逐步减少，但那是由基因控制的发育过程，连先天盲人都如此，更不易用反向学习机制解释；还有，实验表明，某些神经抑制药物能完全阻止发生REM睡眠，但这种停止执行“反向学习”并未导致出现精神异常。因此该理论并未能满意解决睡眠快速眼动REM机制问题。

2. 脑内记忆信息转换假设： 实验证明，仅仅剥夺实验受试者的快速眼动REM睡眠，保留其它时段睡眠不受影响，则受试者第二天精神正常但学习能力受到很大的损害[4]，表明快速眼动REM睡眠对人的记忆功能有很大作用。早期曾经有Newman等人受到计算机工作原理启发,提出人的快速眼动REM睡眠作用相当于计算机在运算后清除无用的暂存信息记忆[5]，但Crick等对这不赞同，认为计算机不同于脑神经网络的平行计算而加以否定[6]。其实，从控制论观点来比较大脑与计算机记忆还是有其借鉴意义，睡眠REM眼动实验数据就揭示了梦境当时仅进入短时记忆，在梦后立即觉醒回忆复述，梦才能进入长期记忆不被遗忘；睡眠REM眼动可能正是参与了记忆信息转换作用。当然，这假设还得由实验或计算神经科学的脑模型研究来设法检验。

3. “睡眠REM眼动”与“梦”需区分： 至今不少有关文献提及睡眠中的REM眼动总是与“发生梦境”（俗称“做梦”）等同起来，实际上两者的关系正是急需进一步的实验研究来阐明的问题。因为至今所有的实验结果都是仅仅是证明睡眠REM与出现梦境在时间上有很强的相关性（也有文献报道了有少量的非快速眼动期间“梦”的事例），究竟这二者之间是因果关系，或者是伴随关系？但决不是全同关系。“梦”是人在睡眠中没有感觉输入信号刺激下发生的无意识（也有称之为半意识）特殊状态的精神（mental）或心智（mind）现象[7]；睡眠中的快速眼动REM是眼球在脑部有关核团控制下进行的具体的器官运动；人在白天清醒状态下的眼动是视觉目标诱发的随意或非随意地（voluntarily or involuntarily）眼球运动，以实现有效地采集和处理视觉信息，清醒状态下人的眼动包括有微小幅度的注视眼动（fixation）、改变眼球注视位置的Saccade眼动、和对运动目标速度跟踪的smooth pursuit眼动等三种基本形式，正常人每天会不自觉地进行着数十万次的眼动，直至入睡才基本停止[8]；但在睡眠中既无视觉刺激输入，也无大脑皮层的清醒意识活动，这REM眼动是如何诱发出来的？它是与白天的眼动经历有关的回放（replay）?还是由梦境中的幻视觉景象所引发saccade眼动?[8] 在脑内信息处理中起何作用[9]？都是需要探索研究的问题。深入研究睡眠及睡眠REM眼动信息处理机制不仅有其理论意义，而且将对老年痴呆症及精神分裂症（皆与REM睡眠有密切关联）等神经疾病及精神疾病的诊断治疗有重大价值，对人工智能和仿生计算机设计创新也可能具有借鉴意义。

四. 睡眠REM眼动研究一些方法难点：

1.基于动物模型的困难

  至今有大量文章是基于大鼠等动物实验结果，用来推测人睡眠REM眼动机制及控制模型，甚至得出开关控制机制[10,11,12], 其结果值得商榷。因为低等哺乳动物与人存在很大差异，即使与人类最接近的类人猿黑猩猩的脑结构及思维特点与人还有很大差别, 未见有实验证明牠们睡眠模式与人完全一样，更未有客观实验证实牠们具有和人一样“做梦”的“mind”现象。只有对人志愿受试者进行实验研究才能获得准确结论；或由计算神经科学脑模型研究设法仿真研究。

2．fMRI脑成像设备研究睡眠REM与清醒状态下脑成像不同，必须实验方法上重新设计。

3. 探讨睡眠REM过程中眼动位置与梦境的关系，不能袭用普通EEG脑电记录眼动信号，必须采用长时程低漂移宽带眼动信号记录设备，或使用红外视频记录及图像处理测得眼睑下的眼球位置信息。 

总之：睡眠REM信息处理机制研究，是首次涉及探索人在睡眠中的“意识”或“心智”现象问题，会受到“占梦”，“解梦”，“造梦”，“盗梦”等影视商业宣传的非科学思维干扰，或被弗洛伊德的“精神分析”中含糊表述的无所不能又是无法实验证伪的非科学思路的误导，必须在科学可实验证伪性（Falsifiability）[13]原则下，克服实验设计及测量上困难进行严谨研究，才可能逐步揭开睡眠REM眼动脑信息处理机制。      

参考文献:

[1]Aserinsky E, Kleitman N. Regularly occurring periods of eye motility, and concomitant phenomena, during sleep. Science, 1953, 118:273-274.

also in: J Neuropsychiatry Clin Neurosci, 2003, 15(4): 454-455.

[2] Crick F, Mitchison G. The function of dream sleep. Nature, 1983, 304(7):111-114.

[3] Hopfield, J. J. Neural networks and physical systems with emergent collective computational abilities.

Proc. Natl Acad. Sci. USA 79(8), 2554–2558 (1982).

[4] Yoo S, et al. A deficit in the ability to form new human memories without sleep. Nature Neuroscience, 2007, 10(3):385-392

[5] Newman E A, Evans C R. Huaman dream processing as analogous to computer program clearance, Nature, 1965, 206(5):534-535 .

[6] Crick F.and Mitchison G. REM sleep and neural nets, Behavioural Brain Research 1995, 69 (1): 147-155

[7] 唐宯威. 梦的本质. 长春:吉林人民出版社，2005

[8] 孙复川,李峙,陈凌育,赵信珍,王存国. “睡眠快速眼动(REM)与视觉信息处理关系探索: Ｉ.睡眠中快速眼动(REM)的Saccade-Like分析” 生物化学与生物物理进展，Vol.34, Suppl. 2, p.12, 2007

[9] 孙复川, 眼运动控制特性与精神疾病, 全国研究生2009暑期班讲座<信息科学技术在医学中的应用>,上海大学2009/6/24

[10] McCarley R W. Mechanisms and models of REM sleep control. Arch. Ital. Biol. 2004, 142(3):429–467.

[11] Saper, C. B., et al., Hypothalamic regulation of sleep and circadian rhythms. Nature. 2005, 437:1257–1263

[12] Lu J, et al. A putative flip–flop switch for control of REM sleep. Nature, 2006, 441(3):589-594.

[13] Popper K R. Conjectures and Refutations: The Growth of Scientific Knowledge. London:Loutledge,2002.

撰稿人: 孙复川

中国科学院上海生命科学院