睡觉时，大脑竟在做这些事

袁越

几乎所有的动物都会睡觉，单从进化论的角度来看，这是不可思议的。因为睡觉绝不只是休息一下，而是彻底失去意识。此时的动物对外界刺激反应迟钝，很容易被捕食者抓住。这显然对生存很不利。不过，如果我们换个角度，就会意识到睡眠一定在其他方面有着不可替代的重要作用，所以才会被进化保留下来。

哺乳动物的睡眠可以分为快速眼动（REM）和非快速眼动（NREM）两个阶段，在脑电波图上可以很容易地区分出来。REM期间眼球会快速转动，做梦也通常发生在这一阶段，所以又被称为“做梦阶段”。NREM期间眼球不转，睡得也更沉一些，所以又叫做“深度睡眠阶段”。

大部分读者肯定对做梦更感兴趣，因为自古以来人们就相信梦有着特殊的意义。弗洛伊德则认为梦是潜意识的体现，代表着被理智压抑的深层欲望。不过，后续研究发现，梦并没有那么神秘，它只不過是白天的一些零散想法的随机展示而已，和潜意识没有关系。

既然如此，人为什么要做梦呢？与此对应的一个等价问题就是：哺乳动物睡眠的“做梦阶段”，究竟有什么用处？

此前关于REM的研究大都集中在脑部血液供应这个问题上。科学家运用功能性核磁共振（fMRI）、正电子发射断层扫描（PET-CT）、超声多普勒分析法（Ultrasound Doppler）和近红外光谱技术（Near-infrared Spectroscopy）等方法研究了这个问题，得出了很多相互矛盾的结论。原因是这些测量方法都是间接的，受到很多其他因素的影响，结果很不可靠。

日本筑波大学的神经生物学家林悠和同事们开发出了一种基于双光子显微镜（Two-photon Microscopy）的测量方法，可以实时观察到脑部毛细血管内被荧光染色的单个血红细胞。研究人员用这个方法测量了小鼠在REM和NREM睡眠期间的脑部血液流动速率，再和清醒状态时的数值做对比，发现清醒和NREM时的血流速度几乎没有差别，而REM阶段的血液流动速度远较前两者更高，平均速度提高了2～3倍。

更有意思的是，研究人员故意在小鼠进入“做梦阶段”时叫醒它们，然后让它们接着睡，结果发现这些美梦被打断的小鼠的血液流动速度会出现补偿性的增加，说明这个REM阶段的血液流动属于“刚需”，一点折扣都不能打，亏多少就得补多少。

这是人类首次直接观察到睡眠期间哺乳动物脑部的血液流动情况，实验结果很有说服力，相关论文发表在2021年8月17日出版的《细胞报道》（Cell Reports）期刊上。

论文作者指出，脑神经活动会产生大量代谢废物，白天可能来不及运走，只能等到晚上睡觉时再清理。REM阶段血液流速大幅加快，说明这一清理工作很可能就是在做梦时完成的。换句话说，我们的梦，很可能只是大脑清洁工在工作时的一个副产品。

研究人员又用一种经过遗传改造的小鼠重复了上述实验，发现它们在REM阶段的血液流动速度并不会增加太多，打断美梦之后的补偿性增速也没有出现。这种小鼠和普通小鼠唯一的区别就是其腺苷酸受体（Adenosine A2a Receptors）基因被去除了，导致它们体内没有这种受体，这个结果说明腺苷酸受体很可能参与了大脑血液流速的调控。

这个发现很有意义，因为它提供了一个新的药物靶点，可以帮助制药厂研发出一种能够提高大脑血液流速的新药。目前已知大脑血液流速的降低及做梦时长的减少，会增加惠阿尔茨海默病的风险，因为这种病的病因很可能与脑组织代谢废物的过度堆积有关。如果能想办法让我们多做梦，也许能起到预防阿尔茨海默病的效果。

说完REM，我们再来说说NREM。别看这一阶段被称为“深度睡眠”，但其实我们的大脑仍然非常活跃。在fMRI技术的帮助下，科学家发现在NREM期间大脑会把白天接收到的各种信息重新过一遍，其中重要的信息会被强化，进入记忆的范畴，其余不重要的信息则会被忘掉，以便腾出空间，迎接新的一天。

瑞士日内瓦大学的神经生物学家弗吉尼亚·斯特彭尼奇（Virginie Sterpenich）想知道，什么样的信息会被记住，什么样的信息会被忘掉，于是她和同事们设计了一个精巧的实验。

科学家们招募了18名年轻志愿者，他们在睡觉前先被要求玩两个电脑游戏，其中一个游戏是“看脸猜人”，考验的是志愿者的面部识别能力;另一个游戏是“三维迷宫”，测试的是志愿者的空间感知能力。之所以选择这两个游戏，是因为它们涉及两种完全不同的能力。玩家的大脑活跃区非常不一样，很容易在fMRI设备上被区分出来。

科学家们还在游戏后台做了点小手脚，让玩家永远赢不了。受试者被随机分成两组，一组是第一个游戏赢不了，第二个游戏可以赢;另一组是第二个游戏赢不了，第一个游戏可以赢。之后，志愿者们被要求躺在核磁共振仪里睡觉，科学家们则通过脑电图（EEG）来判断他们进入了哪种睡眠阶段。

研究结果显示，当志愿者们进入NREM阶段时，其脑组织会重复出现睡前玩游戏时的活跃模式，这说明处于深度睡眠中的大脑并没有闲着，而是一直在回味刚才玩的游戏。不同的是，负责处理白天接收到的信息的海马区，此时会把和游戏相关的信息传递给大脑皮质，由后者负责储存起来，成为长期记忆的一部分。

如果用电脑来比喻的话，海马区相当于随机存取存储器，而大脑皮质相当于硬盘，前者只是暂时储存一下信息，电脑关了就没了。只有把信息储存到后者那里，才会永久保留下来。这个任务正是在NREM阶段完成的。

科学家们还发现，志愿者在深度睡眠时回味的大都是他赢的那个游戏，这个结果并不出人意料，而是完全符合进化论的预期的。按照这个理论，凡是能够提高个体生存率的行为都会被保护下来，大脑依靠一套奖惩机制来实现这一目标。比如觅食、避险或者繁殖等行为都是好的，都属于应该被奖赏的行为，所以动物在做这些事时会感到非常愉悦，而这种愉悦感可以帮助动物形成长期记忆，以便下次再遇到类似情况时能够继续这么做。

斯特彭尼奇将研究结果写成论文，发表在2021年7月6日出版的《自然通讯》（Nature Communications）期刊上。文章还指出，志愿者们确实对赢的那个游戏记忆更深刻，说明fMRI的测量结果是对的。那天晚上，他们的大脑光顾着整理美好的回忆，其他不愉快的经历都被忘记了。