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【前沿译站】我们为什么需要睡眠?丨新发现

主讲: 蔚辽 2017/5/25


人类有大约三分之一的生命在沉睡。这意味着,如果你活到90岁,你会睡上大约30年——这比你做其他事情花费了更多的时间。睡眠是非常重要的,我们不能没有它。然而,与其他基本的生物驱动(如进食和繁殖)相比,我们仍然不能确切地明白为什么我们需要睡觉。过去人们认为,睡眠主要是休息来恢复体力和脑力,并使我们免受夜间捕食者的伤害。但在过去的15年里,这种观点发生了根本的变化。现在我们知道,睡眠在学习、记忆和情感福祉中起着至关重要的作用。在这篇研究中,我们将首先讨论睡眠的结构,然后深入探讨睡眠在学习和记忆中的作用。


良好的睡眠

就像一顿好的午餐由不同种类的食物组成一样,一个美好的夜晚需要不同阶段的睡眠。睡眠可以分为快速眼动(REM)睡眠非快速眼动睡眠,非REM睡眠可以根据大脑活动类型进一步细分,划分为四个不同的阶段(见图1)。这种活动可以用脑电图(EEG)技术来测量,这种技术会将传感器放置在头皮上,进而检测大脑的电活动。在夜间,你会经历不同的阶段,从浅睡眠到深睡眠,每90分钟反复一次。在凌晨,睡眠变轻,此时的睡眠大多为REM睡眠(快速眼动睡眠),这意味着会有更多的梦境。此外,这些睡眠阶段中大脑活动的不同模式,有不同的功能,因此睡眠的每个阶段有助于特定类型的学习和记忆。


图1-不间断睡眠阶段的正常进展

图说:REM睡眠以红色线突出标识。Y轴表示清醒状态及四个睡眠阶段(包括REM)。X轴表示时间。绿线表示每个睡眠阶段经历的时间。


睡眠,学习与记忆

科学家曾经认为,我们所有的学习都发生在白天清醒的时候。现在我们知道,大脑会因为新的信息持续工作数天甚至数年,而且这种持续性的学习发生在我们睡着的时候。睡眠能够强化新的记忆,将新的知识与我们已知的知识相适应,并根据我们刚刚学到的东西改变和更新我们旧的记忆。但是,我们并不能记住在白天学到的一切。不知何故,沉睡的大脑知道哪些新的信息是重要的,需要被保存下来,也知道哪些信息可以被抹去[1]。以下是一些我们需要在睡眠中学习和记忆的实例。


程序性学习

程序性学习意味着学习如何做某事。当你在学习一项新技能,如滑雪或弹钢琴,你可能会在练习过程中达到一个节点而无法跨越。但是,当你第二天再试一次时,你的表现就会变得更好。对于大多数的程序性学习,这种改进就发生在你睡着的时候,而非持续联系一段时间后。例如,如果你花10分钟以最快的速度在电脑键盘上反复地键入一系列的字符,那么在5分钟后,你的键入速度就不会更快了。但是,第二天早上,你的键入速度不仅会更快,而且打字会更流畅。另一方面,如果你在早上训练后,在晚上进行测试,这个过程中间没有睡觉,那么情况会如何呢?结论是:不会变得更好[2]。有趣的是,并不是所有的睡眠都对学习有改善作用。研究发现,如果你花更多的时间在第2阶段的睡眠(见图1),并有更多的睡眠纺锤波(这是很短暂的)产生,此时大脑活动会强烈爆发,过夜改善的情况会更加显著。


洞察力

很多人都听说过“睡觉是解决问题的最好办法”,但是这真的奏效吗?一组德国研究人员做了一个实验,他们教一些学生做一种特殊类型的数学题[3],这种数学题有一种简便的算法,而这些学生中并未有人发现解题的捷径。十二小时后,他们再次测试。这些学生中,有些学生在早上进行了训练,12个小时后(没有午睡)在晚上测试,他们并没有表现得更好,只有22%左右的学生找到了问题的捷径。相反,当学生在晚上进行训练,12个小时后(经过良好的睡眠)进行测试,他们中的60%(相当于没有经过睡眠学生的2.5倍)发现了问题的捷径。所以,睡眠可以有效地提升洞察力!


情绪

众所周知,失眠之后,你可能会情绪化。被扰乱的睡眠会使你难以控制你的情绪。例如,在缺乏睡眠的人面前展示令人兴奋或不愉快的图片,这些人的杏仁核(大脑中参与情绪控制的部分)会有更强烈的活动(见图2)。不幸的是,沉睡的大脑更能记住不愉快的记忆,虽然这些记忆对我们的生存尤为重要,但记住不好的事情会给你的前景和你的决定带来灰暗的色彩。


图2 - 缺乏睡眠对杏仁核(大脑中参与情绪管理的部分)活动的影响

图说:这些水平的MRI(核磁共振成像)切片显示大脑深处的结构。颜色表示研究参与者观看不愉快的图片时大脑杏仁核的活动。与左侧大脑切片相比(睡得好的人),被剥夺了良好睡眠(右)的参与者,杏仁核中的活性比拥有良好睡眠的研究参与者更加显著。


在睡眠中解决迷宫问题

当学生玩街机式的电子游戏时,他们必须在复杂的迷宫中找到出路,这实际上可以通过在练习后小睡一会儿来变提高游戏技能。睡眠与他们对迷宫布局的记忆改善有关系吗?答案看起来是肯定的。当研究人员叫醒午睡中的学生,并问他们梦到了什么,结果发现,那些报告说梦到了与迷宫相关的人比那些没有梦到的人的游戏技能进步了十倍!(见图3)

图3 - 梦见迷宫帮助你更快地通过它

图说:左上角:一个人看着迷宫。右上角:在训练和测试之间没有小睡的学生和有小睡的学生的速度改进以及在睡梦中梦到迷宫(红色条状图)和没有梦到迷宫(蓝色条状图)的学生的速度改进。只有小睡并且梦到迷宫的学生速度有明显好转(n.s. 表示在统计学上没有显著的差异)。底部:学生报告样本。


睡眠不足,会发生什么?

当你睡眠不足的时候,你会变得疲倦。除了对健康的不利影响(没有足够的睡眠倾向于吃更多不健康的食物,体重增加、生病),不充足的睡眠会让你在第二天学不好,注意力不集中,仿佛你的大脑装得太满以致于无法吸收更多的信息。对于之前学到的知识,就像错过了按下“保存”按钮的机会一样——它永远消失了。对于其他类型的学习,不会显示正常的基于睡眠的改善(如你练习的钢琴作品)。处理事情时你会更加情绪化,这可能会导致你感到压力山大,对朋友大喊大叫,做出错误的决定,冲动多于理智。


底线是什么?

获得足够的睡眠,睡觉时不要将手机放在身边。良好的睡眠就像一首脑节律的交响乐,每个运动都服务于不同的功能。缩短睡眠时间或打断睡眠,你可能错过棘手问题获得突破性解决的机会,可能失去让你的在独奏音乐会上完美演奏的曲目。它不太可能在第二天晚上再来弥补——你必须从头开始。大多数青少年每晚至少需要9个小时的睡眠!所以,祝你拥有美好的夜晚和甜蜜的梦。


REFERENCES AND FURTHER READING

[1] Stickgold, R., and Walker, M. P. 2013. Sleep-dependent memory triage: evolving generalization through selective processing. Nat Neurosci. 16:139–45. doi:10.1038/nn.3303

[2] Walker, M. P., Brakefield, T., Morgan, A., Hobson, J. A., and Stickgold, R. 2002. Practice with sleep makes perfect: sleep-dependent motor skill learning. Neuron. 35:205–11.

[3] Wagner, U., Gais, S., Haider, H., Verleger, R., and Born, J. 2004. Sleep inspires insight. Nature 427:352–5. doi:10.1038/nature02223

Gujar, N., Yoo, S. S., Hu, P., and Walker, M. P. 2011. Sleep deprivation amplifies reactivity of brain reward networks, biasing the appraisal of positive emotional experiences. J. Neurosci. 31:4466–74. doi:10.1523/JNEUROSCI.3220-10.2011

Yoo, S.S., Gujar, N., Hu, P., Jolesz, F. A., and Walker, M. P. 2007. The human emotional brain without sleep-a prefrontal amygdala disconnect. Curr. Biol. 17:877–8. doi:10.1016/j.cub.2007.08.007

Wamsley, E.J., Tucker, M., Payne, J. D., Benavides, J. A., and Stickgold, R. 2010 Dreaming of a learning task is associated with enhanced sleep-dependent memory consolidation. Curr. Biol. 20:850–5. doi:10.1016/j.cub.2010.03.027


译者:蔚辽
(文章摘译自《Frontiers(前沿)》,美国)


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