科技日?qǐng)?bào)記者 金鳳
無(wú)論是熱播劇《開端》中循環(huán)了19次的爆炸事故，還是電影《盜夢(mèng)空間》里從潛意識(shí)中盜取情報(bào)，抑或是“春風(fēng)一夜吹鄉(xiāng)夢(mèng)，又逐春風(fēng)到洛城”中對(duì)于故土情愫的記憶重溫，夢(mèng)，是人們穿梭于虛幻與現(xiàn)實(shí)之間莫可明說(shuō)的生命體驗(yàn)。
然而，做夢(mèng)時(shí)人腦發(fā)生了什么，至今仍是未解之謎。“為什么要睡眠?”“人類為什么會(huì)做夢(mèng)?”一度被《科學(xué)》雜志列入“全世界最前沿的125個(gè)科學(xué)問(wèn)題”。
最近，科學(xué)家們找到了大腦進(jìn)入夢(mèng)鄉(xiāng)的“鑰匙”。國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》新發(fā)表的一篇研究論文中，日本筑波大學(xué)聯(lián)合北京大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，讓大腦愉悅的信號(hào)——多巴胺，在大腦中的基底外側(cè)杏仁核區(qū)域（BLA）升高，是啟動(dòng)快速眼動(dòng)睡眠的關(guān)鍵。
不同睡眠周期，肌肉張力、眼球運(yùn)動(dòng)各不同
夢(mèng)醒時(shí)分，我們可能依稀記得縹緲的夢(mèng)境，卻未曾得知，在整個(gè)睡眠周期，腦內(nèi)的各種神經(jīng)元、腦信號(hào)如何經(jīng)歷一番生命奇遇。
“我們對(duì)睡眠的理解，目前主要基于對(duì)哺乳動(dòng)物睡眠的研究。區(qū)分哺乳動(dòng)物不同睡眠-覺醒狀態(tài)的核心指標(biāo)是腦電圖。”中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、神經(jīng)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員徐敏告訴科技日?qǐng)?bào)記者，按照腦電頻譜特征的不同，睡眠-覺醒周期可分為覺醒期、快速眼動(dòng)（REM）睡眠和非快速眼動(dòng)（NREM）睡眠。其中，人類的NREM睡眠又可以細(xì)分為N1、N2、N3期。
“健康人入睡時(shí)一般先進(jìn)入NREM睡眠，但新生兒可由覺醒直接進(jìn)入REM睡眠。”徐敏表示，“一個(gè)典型的睡眠周期首先從覺醒狀態(tài)進(jìn)入N1期，此時(shí)人逐漸喪失對(duì)周圍環(huán)境的注意力，出現(xiàn)緩慢眼動(dòng)，心率、體溫開始下降。數(shù)分鐘后進(jìn)入N2期，此時(shí)全身肌張力降低，幾乎無(wú)眼球運(yùn)動(dòng)。隨后進(jìn)入深睡眠的N3期后，肌張力進(jìn)一步低下，不易被喚醒。深睡眠結(jié)束后，再次轉(zhuǎn)回N2及N1期，而后進(jìn)入REM睡眠。”
REM睡眠的特征則是肌張力消失，但高頻眼動(dòng)陣發(fā)，肢體遠(yuǎn)端的肌肉和面部表情肌可有短暫肌電活動(dòng)。
“健康成人的N3期睡眠多出現(xiàn)在前半夜，而REM睡眠在后半夜時(shí)間更長(zhǎng)、密度更高。整夜總睡眠時(shí)間中，覺醒時(shí)間占比<5%，N1期時(shí)長(zhǎng)約占5%-10%，N2期約占50%-60%，N3期約占15%-20%，REM期約占20%-25%。”不過(guò)，這并非一成不變，徐敏說(shuō)，一般而言，整夜總睡眠時(shí)間隨年齡的增大而減少。
研究發(fā)現(xiàn)快速眼動(dòng)睡眠由大腦關(guān)鍵區(qū)域多巴胺信號(hào)引起
夢(mèng)是如何產(chǎn)生的，夢(mèng)的功能是什么，夢(mèng)是睡眠中真實(shí)的思維痕跡還是醒來(lái)后的虛構(gòu)回憶，這些未解的難題一直令科學(xué)家著迷。
“對(duì)于人類，REM睡眠是夢(mèng)的多發(fā)時(shí)期，但夢(mèng)和REM睡眠并不等價(jià)。”徐敏介紹，20世紀(jì)50年代，學(xué)者阿瑟林斯基與克萊特曼通過(guò)記錄睡眠中的腦電、眼電和肌電，發(fā)現(xiàn)了REM睡眠。
他們喚醒并詢問(wèn)了處于不同睡眠階段的志愿者，發(fā)現(xiàn)有74%的從REM睡眠醒來(lái)的人報(bào)告自己做了夢(mèng)，而這一比例在NREM睡眠期僅有17%。后人通過(guò)修改詢問(wèn)方式，把“是否做了夢(mèng)”改為“蘇醒之前腦海中出現(xiàn)了什么”，并大量重復(fù)試驗(yàn)，認(rèn)為REM睡眠與NREM睡眠都能產(chǎn)生夢(mèng)境，且兩種夢(mèng)常常難以區(qū)分。
對(duì)于REM睡眠，人類已經(jīng)掌握諸多規(guī)律。東南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院楊元魁博士告訴科技日?qǐng)?bào)記者：“REM睡眠，人腦會(huì)把大量存于腦中的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)提取出來(lái)，并與白天所學(xué)、所見、所聽、所想交織在一起，進(jìn)行復(fù)雜隨機(jī)的加工。這個(gè)階段會(huì)刪除人腦認(rèn)為無(wú)用的記憶，所以對(duì)腦的記憶系統(tǒng)的優(yōu)化具有重要作用。”
不過(guò)，在睡眠中，NREM睡眠為何會(huì)轉(zhuǎn)向REM睡眠，二者是如何循環(huán)進(jìn)行的，或者說(shuō)人類大腦如何調(diào)節(jié)睡眠，尚無(wú)結(jié)論。而睡眠如何促進(jìn)人類做夢(mèng)——即REM睡眠，尤其令人費(fèi)解。
不過(guò)，在此次研究中，科研人員似乎捕捉到從NREM睡眠向REM睡眠“切換”的蛛絲馬跡：NREM睡眠期間，基底外側(cè)杏仁核的多巴胺的短暫增加，會(huì)終止NREM睡眠，并啟動(dòng)REM睡眠。多巴胺作用于基底外側(cè)杏仁核中表達(dá)多巴胺受體D2 (Drd2)的神經(jīng)元，會(huì)誘導(dǎo)NREM睡眠到REM睡眠的轉(zhuǎn)變。
嗜睡癥的猝倒神經(jīng)生物學(xué)模型或需調(diào)整
多巴胺是腦內(nèi)重要的神經(jīng)遞質(zhì)，它可以調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)，使我們感到愉悅，巧克力就是可以促進(jìn)多巴胺分泌的“開關(guān)”之一。
近幾十年來(lái)，國(guó)際上對(duì)多巴胺能神經(jīng)系統(tǒng)的研究有突飛猛進(jìn)的發(fā)展，認(rèn)為該系統(tǒng)在調(diào)控人的精神、運(yùn)動(dòng)、行為等方面具有不可替代的作用，例如人的睡眠-覺醒機(jī)制，以及學(xué)習(xí)、記憶、認(rèn)知等意識(shí)活動(dòng)。
“在睡眠中，此前科研人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多巴胺在REM睡眠時(shí)釋放量比較大，會(huì)促進(jìn)覺醒。但此次研究發(fā)現(xiàn)基底外側(cè)杏仁核的多巴胺的水平在NREM睡眠向REM睡眠過(guò)渡前會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)瞬時(shí)的增加。”徐敏說(shuō)。
更值得關(guān)注的是，在基底外側(cè)杏仁核區(qū)域的多巴胺變化，還為一類發(fā)作性睡病的睡眠障礙提供了新的見解。
“發(fā)作性睡病，也叫嗜睡癥，是一種中樞性睡眠增多障礙，其中部分病人的一個(gè)典型癥狀便是‘猝倒發(fā)作’?；颊叩拇竽X在白天清醒時(shí)會(huì)突然進(jìn)入REM睡眠，無(wú)力甚至猝倒；夜間出現(xiàn)入睡幻覺、睡眠癱瘓、睡眠紊亂等。”徐敏介紹，合成下丘腦泌素（又稱食欲素）或其受體的基因突變，以及下丘腦中表達(dá)食欲素神經(jīng)元數(shù)量的減少，均可引起發(fā)作性睡病。
在此次研究中，科研人員為缺乏食欲素而患有嗜睡癥的模型小鼠和對(duì)照組小鼠喂食巧克力，發(fā)現(xiàn)嗜睡癥小鼠基底外側(cè)杏仁核區(qū)域多巴胺釋放與對(duì)照小鼠相比顯著增多；并且嗜睡癥小鼠進(jìn)食巧克力之后，BLA腦區(qū)的多巴胺水平短暫升高，之后出現(xiàn)猝倒樣發(fā)作。
他們還發(fā)現(xiàn)，在嗜睡癥小鼠模型中，多巴胺激增，但在其他被測(cè)試的大腦區(qū)域中沒有。隨后，他們刺激正常小鼠基底外側(cè)杏仁核處的多巴胺釋放，發(fā)現(xiàn)此處的多巴胺短暫增加可引發(fā)小鼠猝倒。更有意思的是，當(dāng)研究者通過(guò)人為刺激，引起睡眠中小鼠基底外側(cè)杏仁核多巴胺短暫增加之后，可以讓小鼠進(jìn)入REM睡眠。
“這個(gè)研究對(duì)睡眠調(diào)控基礎(chǔ)研究和嗜睡癥的研究都有很多啟發(fā)。當(dāng)前睡眠調(diào)控模型認(rèn)為，食欲素缺乏導(dǎo)致的嗜睡癥患者的睡眠和覺醒都不穩(wěn)定，存在白天嗜睡，晚上睡眠碎片化的特征。此次的發(fā)現(xiàn)促使我們重新思考上述模型的普適性。另一方面，該研究揭示的多巴胺對(duì)REM睡眠的調(diào)控作用，也提示我們重新認(rèn)識(shí)多巴胺對(duì)睡眠的復(fù)雜調(diào)控機(jī)制，可能不僅僅局限于之前認(rèn)為的促覺醒效應(yīng)”徐敏說(shuō)。
了解“睡眠-覺醒”奧秘，關(guān)乎人類未來(lái)
當(dāng)我們談?wù)撍吆蛪?mèng)時(shí)，一個(gè)重要的問(wèn)題是，睡眠的終極功能是什么？雖然至今尚無(wú)結(jié)論，但答案關(guān)乎生存、疾病，甚至人類的未來(lái)。
“試想一下，如果睡眠行為無(wú)益無(wú)功，我們豈不是白白浪費(fèi)了三分之一的人生？遺憾的是，我們現(xiàn)在仍不清楚睡眠行為的核心作用和目的。”徐敏說(shuō)。
即便此次研究的出現(xiàn)讓我們對(duì)多巴胺另眼相看，但在楊元魁看來(lái)，睡眠-覺醒機(jī)制還受到非常多物質(zhì)的影響，例如褪黑素、血清素、皮質(zhì)醇等。
在睡眠的未知疆域，還有無(wú)數(shù)的認(rèn)知藍(lán)海在等待人類遠(yuǎn)航：例如，目前發(fā)現(xiàn)調(diào)控NREM的腦區(qū)數(shù)量較多，且分布相對(duì)離散，這些腦區(qū)在睡眠調(diào)控過(guò)程中分別扮演了什么角色？
又如，皮層活動(dòng)對(duì)睡眠調(diào)控是否存在自上而下的影響？毫秒尺度的神經(jīng)元活動(dòng)如何維持長(zhǎng)時(shí)程的睡眠或覺醒狀態(tài)？
而當(dāng)我們對(duì)大腦調(diào)控睡眠-覺醒的機(jī)制有足夠深入的理解之后，我們或許可以對(duì)未來(lái)的睡眠控制有所期待。
“那時(shí)，我們可以更加安全有效地治療失眠，或者出于工作、旅行或其他需要，可以前移或推遲睡眠時(shí)間，還可能在條件允許時(shí)預(yù)存或補(bǔ)充睡眠。”在徐敏看來(lái)，人人享有睡眠，也有權(quán)利和責(zé)任去了解、維護(hù)自己的睡眠。
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