大腦如何從清醒狀態(tài)過渡到睡眠狀態(tài)（以及如何再過渡回清醒狀態(tài)）

關(guān)注視頻號(hào)：丘腦大叔

早上好，我是腦叔，一個(gè)愛聊腦的家伙。

枕頭冰涼地貼著你的臉頰。樓上的鄰居在天花板上發(fā)出吱吱嘎嘎的聲音。你閉上眼睛；光影在眼前跳躍。一只貓嗅著一塊奶酪。點(diǎn)點(diǎn)星光落入湖中。這一切都感覺很正常，很美好，盡管你沒有養(yǎng)貓，而且你離湖邊也遠(yuǎn)得很。

你開始了睡眠之旅，這種神秘的狀態(tài)，你和大多數(shù)其他動(dòng)物都需要以某種形式進(jìn)入這種狀態(tài)才能生存。睡眠以我們尚未完全了解的方式使大腦和身體煥然一新：修復(fù)組織、清除毒素、鞏固記憶。但任何經(jīng)歷過失眠的人都可以證明，進(jìn)入睡眠狀態(tài)在生理上和心理上都不是一件容易的事。

麻省理工學(xué)院睡眠科學(xué)研究員亞當(dāng)·霍洛維茨（Adam Horowitz）說，要入睡，“一切都必須改變”。流向大腦的血液減慢，腦脊液的循環(huán)加快。神經(jīng)元釋放神經(jīng)遞質(zhì)，改變大腦的化學(xué)成分，它們的行為也開始發(fā)生變化，彼此之間的同步性增強(qiáng)。腦海中的畫面時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，思維開始扭曲。

“我們的大腦能夠非常迅速地將我們從對(duì)周圍環(huán)境的感知狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o意識(shí)狀態(tài)，甚至體驗(yàn)到并不存在的事物，”麻省理工學(xué)院的睡眠研究員勞拉·劉易斯（Laura Lewis）說道。“這引發(fā)了關(guān)于我們?nèi)祟愺w驗(yàn)的諸多引人入勝的問題。”

大腦如何安全高效地在這些狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，至今仍是一個(gè)謎。但針對(duì)睡眠入睡和清醒狀態(tài)轉(zhuǎn)換的研究正在逐步揭示這些中間狀態(tài)的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)，從而有助于解釋失眠或睡眠癱瘓等睡眠障礙是如何發(fā)生的。

劉易斯說，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為睡眠是一種非此即彼的現(xiàn)象。要么清醒，要么入睡。但最新研究表明，它“更像是一個(gè)連續(xù)譜，而非一個(gè)單一類別”。

駕馭腦電波

上世紀(jì)30年代，華爾街百萬富翁、律師兼業(yè)余科學(xué)家阿爾弗雷德·李·盧米斯（Alfred Lee Loomis）喜歡在他位于紐約州北部的豪宅里，趁客人午睡時(shí)掃描他們的大腦。他率先使用一種名為腦電圖儀的儀器來研究睡眠。每位午睡者都戴著一頂帶有電極的帽子，可以無創(chuàng)地測(cè)量他們的大腦活動(dòng)。這臺(tái)儀器會(huì)用一支筆，以每秒1厘米的速度在紙上畫出波峰波谷，從而生成腦電圖（EEG）。

Mark Belan/Quanta Magazine; Source: Neuroscience: Exploring the Brain

這些波代表了神經(jīng)元的總體活動(dòng)。當(dāng)我們?nèi)胨瘯r(shí)，神經(jīng)元開始同步，這意味著它們同時(shí)放電，同時(shí)停止活動(dòng)。（沒有人確切知道這是為什么。）隨著睡眠時(shí)間的延長(zhǎng)，這種同步性會(huì)增強(qiáng)，產(chǎn)生頻率更低、振幅更高的腦電波。在夜間睡眠過程中，腦電波會(huì)以周期性的方式加速和減速——整夜如此，夜復(fù)一夜。盧米斯將不同類型的腦電波歸類為睡眠狀態(tài)，并創(chuàng)建了一套術(shù)語來描述無意識(shí)的各個(gè)階段。

腦電圖（EEG）推動(dòng)了睡眠研究的發(fā)展。測(cè)量腦電圖記錄的腦電波成為神經(jīng)科學(xué)家無需進(jìn)行侵入性手術(shù)即可推斷人腦或睡眠狀態(tài)的常用方法。它成為理解我們睡眠時(shí)神經(jīng)元活動(dòng)以及我們?cè)诮?jīng)歷不同睡眠意識(shí)狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的主觀體驗(yàn)（例如夢(mèng)境）的首選方法。

20世紀(jì)50年代初，芝加哥大學(xué)的生理學(xué)家納撒尼爾·克萊特曼和他的學(xué)生尤金·阿塞林斯基首次描述了以快速眼動(dòng)睡眠（REM睡眠）為特征的睡眠階段——大腦在夜間會(huì)多次重復(fù)這一周期，而我們往往會(huì)在這一周期做夢(mèng)。在快速眼動(dòng)睡眠（REM睡眠）中，腦電波比非快速眼動(dòng)睡眠（NREM睡眠）時(shí)更快，更接近我們清醒時(shí)的腦電波模式。幾年后，克萊特曼和同樣在芝加哥大學(xué)任教的睡眠研究員威廉·德門特共同提出了一個(gè)改進(jìn)的睡眠階段劃分方案：基于盧米斯最初的研究，將非快速眼動(dòng)睡眠分為四個(gè)階段，并劃分出一個(gè)快速眼動(dòng)睡眠階段。如今，一個(gè)經(jīng)過修改的版本（將最后兩個(gè)非快速眼動(dòng)睡眠階段合并為一個(gè)階段）仍在使用。

然而，這種劃分方案通過人為地劃定界限，掩蓋了睡眠階段之間微妙的變化。巴黎腦研究所的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家托馬斯·安德里隆指出，當(dāng)時(shí)該領(lǐng)域普遍認(rèn)為“你只有三種狀態(tài)：要么清醒，要么處于非快速眼動(dòng)睡眠，要么處于快速眼動(dòng)睡眠”。

盡管有一些證據(jù)表明大腦可能處于一種睡眠和清醒混合的狀態(tài)，但這種觀點(diǎn)在很大程度上被忽視了。它被認(rèn)為過于復(fù)雜多變，與大多數(shù)研究人員對(duì)睡眠的嚴(yán)格定義相悖。

但安德里隆說，漸漸地，新一代神經(jīng)科學(xué)家開始質(zhì)疑這種現(xiàn)狀。他們意識(shí)到，“或許，事情的真正有趣之處就在于此。”

入睡

薩爾瓦多·達(dá)利或許會(huì)同意這種說法。

大約在盧米斯在他的豪宅里進(jìn)行腦電圖實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，這位超現(xiàn)實(shí)主義藝術(shù)家也在探索自己進(jìn)入睡眠狀態(tài)的方式。正如他在1948年出版的《魔法工藝的50個(gè)秘密》一書中描述的那樣，他會(huì)坐在“一張骨瘦如柴的扶手椅上，最好是西班牙風(fēng)格的”，一只手掌松松地握著一把沉重的鑰匙，鑰匙放在地板上一個(gè)倒扣的盤子上方。隨著他漸漸入睡，他的雙手會(huì)放松下來——最終，鑰匙會(huì)從指縫間滑落。鑰匙突然撞擊盤子的“咔噠”聲會(huì)把他喚醒。

達(dá)利堅(jiān)信，在這種狀態(tài)下被喚醒能夠喚醒他的精神，激發(fā)他的創(chuàng)造力，于是他便會(huì)坐下來開始作畫。包括托馬斯·愛迪生（在新標(biāo)簽頁中打開）和埃德加·愛倫·坡在內(nèi)的其他偉大人物，都和他一樣對(duì)所謂的催眠狀態(tài)——睡眠初期，我們?cè)谇逍褷顟B(tài)下開始體驗(yàn)心理圖像的階段——抱有濃厚的興趣并進(jìn)行過相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

2021年，巴黎腦研究所的一組研究人員，包括安德里隆在內(nèi)，發(fā)現(xiàn)（在新標(biāo)簽頁中打開）這些自我實(shí)驗(yàn)者的研究是正確的。從被稱為N1的早期睡眠階段醒來，似乎能讓人進(jìn)入一個(gè)“創(chuàng)造力最佳狀態(tài)”。在催眠狀態(tài)下停留約15秒后醒來的人，發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)問題中隱藏規(guī)則的可能性幾乎是其他人的三倍。幾年后，麻省理工學(xué)院的霍洛維茨領(lǐng)導(dǎo)的另一項(xiàng)研究（在新標(biāo)簽頁中打開）發(fā)現(xiàn)，通過引導(dǎo)人們的夢(mèng)境內(nèi)容，可以進(jìn)一步提升從這種狀態(tài)中醒來的人的創(chuàng)造力。

催眠狀態(tài)為何似乎能提升創(chuàng)造力，目前尚不完全清楚。凱倫·康科利（Karen Konkoly）表示，一種可能性是，入睡的過程“需要我們放開對(duì)思維的控制”。她曾在西北大學(xué)擔(dān)任博士后研究員，研究清醒夢(mèng)，現(xiàn)在為睡眠初創(chuàng)公司Dust Systems（由霍洛維茨聯(lián)合創(chuàng)立）提供咨詢服務(wù)。“隨著我們對(duì)思維的執(zhí)行控制放松，我們或許可以訪問更廣泛的語義信息網(wǎng)絡(luò)，這可能有助于創(chuàng)造力。”安德里隆也認(rèn)同，睡眠過渡會(huì)產(chǎn)生一種“自由意識(shí)”狀態(tài)，使大腦擺脫常規(guī)的思維模式。

就像城鎮(zhèn)進(jìn)入夢(mèng)鄉(xiāng)時(shí)，房屋的燈光逐漸熄滅一樣，大腦也逐漸切換到夜間模式。睡眠始于大腦的中心：大腦深處的神經(jīng)元，例如被稱為下丘腦的古老控制中心中的神經(jīng)元，會(huì)發(fā)出信號(hào)抑制喚醒回路。附近的腦區(qū)，例如將感官信息傳遞到大腦其他部分的丘腦，會(huì)率先關(guān)閉。幾分鐘后，負(fù)責(zé)更高層次意識(shí)思考的大腦皮層也開始關(guān)閉（在新標(biāo)簽頁中打開）。它從大腦前部（負(fù)責(zé)計(jì)劃和決策）到后部（負(fù)責(zé)分析視覺等感官信息）依次關(guān)閉。

在這個(gè)過渡階段，由于大腦的某些部分關(guān)閉而其他部分保持清醒，我們有時(shí)會(huì)體驗(yàn)到類似夢(mèng)境的想法。霍洛維茨說，在這種催眠狀態(tài)下，許多人“一只腳踏在夢(mèng)里，一只腳踏在現(xiàn)實(shí)世界”。有些人會(huì)聽到聲音；有些人會(huì)看到幻象。這些就像夢(mèng)境，但更輕盈：它們是投射到現(xiàn)實(shí)世界框架上的景象，而現(xiàn)實(shí)世界仍然在我們掌控之中。

藝術(shù)家薩爾瓦多·達(dá)利（右）以其超現(xiàn)實(shí)主義繪畫作品而聞名，例如他1952年的作品《球體中的伽拉忒亞》（左）。為了激發(fā)創(chuàng)作靈感，他曾嘗試在催眠狀態(tài)下（即將入睡的過渡階段）喚醒自己。Studio Harcourt RMN/Public Domain; Archivart/Alamy

巴西里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家西達(dá)爾塔·里貝羅（在新標(biāo)簽頁中打開）說：“我們可能會(huì)認(rèn)為這些心理體驗(yàn)具有某種功能。但也許并非如此。也許它只是大腦活動(dòng)的一種副產(chǎn)品。”

當(dāng)你閉上雙眼，感官逐漸減弱時(shí)，你不再能接收到太多來自外界的信息。但你的大腦內(nèi)部仍然會(huì)發(fā)出信號(hào)，或許是白天經(jīng)歷的殘余。里貝羅（Ribeiro）及其團(tuán)隊(duì)近期報(bào)告（在新標(biāo)簽頁中打開）指出，人們白天的經(jīng)歷會(huì)在入睡初期以催眠狀態(tài)的意象形式出現(xiàn)，這一發(fā)現(xiàn)與其他研究（在新標(biāo)簽頁中打開）的結(jié)果相吻合。

一些研究人員正利用這種介于睡眠和清醒之間的狀態(tài)來研究意識(shí)的本質(zhì)。“如果你能追蹤大腦在從這兩個(gè)截然相反的世界過渡時(shí)的活動(dòng)，就能深入了解意識(shí)是如何波動(dòng)的，”巴黎腦研究所研究睡眠和意識(shí)的研究生尼古拉斯·德卡特（Nicolas Decat）（在新標(biāo)簽頁中打開）說道。在尚未經(jīng)過同行評(píng)審的初步研究中，德卡特使用腦電圖（EEG）記錄了100多名受試者入睡時(shí)的腦電波。他效仿達(dá)利和愛迪生的技巧，讓參與者拿著瓶子，這樣當(dāng)他們昏昏欲睡時(shí)，瓶子就會(huì)掉下來發(fā)出聲音，把他們喚醒。

通過比較參與者的腦電波和他們對(duì)自身所思所想的自我報(bào)告，迪卡特發(fā)現(xiàn)，一些夢(mèng)境般的意象出現(xiàn)在他們理論上清醒的時(shí)候，而一些自主思考則發(fā)生在他們理論上睡眠的時(shí)候。例如，一位參與者報(bào)告說，即使腦電圖記錄的是清醒狀態(tài)下快速而頻繁的腦電波，她仍然感覺有螞蟻在她背上爬行。另一位參與者則報(bào)告說，根據(jù)緩慢而不頻繁的腦電波，她在理論上處于睡眠狀態(tài)時(shí)，卻有意識(shí)地思考自己是如何入睡的。

這些尚未發(fā)表的數(shù)據(jù)表明，睡眠狀態(tài)可能并非對(duì)睡眠意識(shí)進(jìn)行分類的最佳方式。“清醒或睡眠狀態(tài)并不能完全決定你腦海中浮現(xiàn)的是什么，”迪卡特說。這些數(shù)據(jù)“挑戰(zhàn)了人們普遍認(rèn)為的‘清醒時(shí)你會(huì)想到某些事情，睡眠時(shí)你會(huì)做夢(mèng)’的觀點(diǎn)。事實(shí)并非總是如此。”

進(jìn)入睡眠狀態(tài)的過程可能持續(xù)數(shù)十分鐘。這意味著研究人員很容易研究這個(gè)過程——遠(yuǎn)比研究醒來的過程容易得多，因?yàn)樾褋淼倪^程發(fā)生得更快，也更難以控制。預(yù)測(cè)一個(gè)人何時(shí)醒來要困難得多。

早安，陽光

瑞士洛桑大學(xué)的博士后研究員奧雷莉·斯蒂芬（Aurélie Stephan）在研究一種被稱為“矛盾性失眠”的現(xiàn)象時(shí)，對(duì)醒來過程產(chǎn)生了興趣。與整夜無法入睡的失眠患者不同，矛盾性失眠患者雖然腦電波顯示他們處于睡眠狀態(tài)，卻感覺自己整夜未眠。“他們的睡眠時(shí)間和睡眠良好的人一樣多……所以這很令人費(fèi)解，”斯蒂芬說。

為了理解這個(gè)問題，她首先需要研究一個(gè)更典型的醒來過程。當(dāng)一個(gè)睡眠良好的人醒來時(shí)，他們的大腦在做什么？

在最近的一項(xiàng)研究中（在新標(biāo)簽頁中打開），她分析了超過1000種不同的覺醒或喚醒過程——即從睡眠到清醒的轉(zhuǎn)變——時(shí)間尺度僅為幾秒。她觀察到，睡眠質(zhì)量良好的人在從非快速眼動(dòng)睡眠（NREM）中醒來時(shí)，腦電波數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了一種奇特的慢波。基于以往的動(dòng)物研究，斯蒂芬和她的團(tuán)隊(duì)推測(cè)，這種慢波源自大腦深處。

在這種慢波信號(hào)出現(xiàn)后，她觀察到大腦皮層開始蘇醒（腦電波速度加快），從負(fù)責(zé)執(zhí)行功能的大腦前部逐漸向負(fù)責(zé)視覺和其他感官信息的大腦后部擴(kuò)展。當(dāng)人們從快速眼動(dòng)睡眠（REM）中醒來時(shí)，他們的大腦皮層也以同樣的方式蘇醒，但沒有出現(xiàn)之前的慢波。

斯蒂芬發(fā)現(xiàn)，這種獨(dú)特的慢波的存在與人們醒來時(shí)的感受密切相關(guān)。出現(xiàn)這種慢波信號(hào)的參與者醒來時(shí)比沒有出現(xiàn)這種信號(hào)的參與者感覺更清醒。斯蒂芬說，這表明（但并未證實(shí)）這可能是一種有助于喚醒過程的喚醒信號(hào)。

斯坦福大學(xué)研究動(dòng)物睡眠轉(zhuǎn)換的分子生物學(xué)家路易斯·德·萊塞亞（Luis de Lecea）表示：“他們出色地發(fā)現(xiàn)了這種睡眠-覺醒轉(zhuǎn)換的特征信號(hào)。”他并未參與這項(xiàng)研究。路易斯說，他們描繪了一幅“詳細(xì)的圖景”，并解釋了為什么“我們并非總是以相同的方式醒來”。

然而，腦電圖讀數(shù)較為粗略，無法探測(cè)大腦深層區(qū)域或提供豐富的細(xì)節(jié)。不過，此前使用功能磁共振成像（fMRI）和電極的研究揭示了一些可能產(chǎn)生此類喚醒信號(hào)的更深層機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，喚醒的神經(jīng)信號(hào)始于大腦深處，例如下丘腦和腦干。這些區(qū)域喚醒丘腦，丘腦再將指令傳遞至大腦皮層。

雖然醒來通常比入睡快，但也需要一些時(shí)間。斯蒂芬的睡眠腦電波特征從大腦皮層前部傳到后部需要幾秒鐘。但她說，恢復(fù)意識(shí)和認(rèn)知能力，并擺脫所有睡眠慣性，可能需要幾分鐘到一小時(shí)。這項(xiàng)研究和其他研究也表明，通常與睡眠相關(guān)的慢波有時(shí)也可能表明覺醒狀態(tài)。兩者之間的界限很模糊。

即使我們認(rèn)為自己完全清醒，四處走動(dòng)，我們大腦的某些部分也可能處于睡眠狀態(tài)。這種被稱為局部睡眠的現(xiàn)象，被認(rèn)為是為了讓大腦中過度勞累的神經(jīng)元得到休息和恢復(fù)。這與海豚一次只用一個(gè)大腦半球睡覺，或者一些鳥類在飛行中睡覺的方式類似。有時(shí)，當(dāng)我們非常疲憊時(shí)，即使我們?nèi)匀恍阎^續(xù)著一天的活動(dòng)，一些神經(jīng)元也需要休息和充電。

“這些人是清醒的。他們睜著眼睛。他們甚至可以做一些事情，”安德里隆說。然而，他們大腦的某些部分卻在經(jīng)歷典型的慢波睡眠。鑒于此，局部睡眠挑戰(zhàn)了“睡眠”的真正含義。

睡眠轉(zhuǎn)換困難

當(dāng)我們醒來、入睡，甚至在睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程中，不同類型的腦電波同時(shí)發(fā)生，不同區(qū)域的神經(jīng)元同步和不同步，交織成一片節(jié)奏混亂的景象。這種復(fù)雜的腦電波組合會(huì)導(dǎo)致諸如入睡幻覺、清醒夢(mèng)和睡眠障礙等體驗(yàn)。

“睡眠障礙非常普遍，”劉易斯說，“它們通常都與睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換困難有關(guān)。”

這些障礙可能表現(xiàn)為失眠（難以入睡）、夜驚、睡眠癱瘓或夢(mèng)游（無法按預(yù)期醒來）。在許多情況下，大腦的某些部分本應(yīng)處于睡眠狀態(tài)卻處于清醒狀態(tài)，反之亦然。

失眠的根本原因在于難以進(jìn)入睡眠狀態(tài)或維持睡眠。在睡眠癱瘓中，大腦皮層比控制身體的深層腦區(qū)更早醒來，導(dǎo)致意識(shí)完全清醒卻無法動(dòng)彈。在矛盾性失眠癥中，斯蒂芬在她最新的研究中觀察到的潛在喚醒信號(hào)很弱，“所以它不會(huì)完全喚醒患者，反而讓他們感覺清醒，”她說。她的團(tuán)隊(duì)在夢(mèng)游者身上也發(fā)現(xiàn)了同樣的信號(hào)，但她說，在夢(mèng)游者身上，這種信號(hào)出現(xiàn)在深度睡眠期間“不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間窗口”。他們還發(fā)現(xiàn)，夢(mèng)游者的大腦活動(dòng)（在新標(biāo)簽頁中打開）與做夢(mèng)時(shí)的大腦活動(dòng)相似，這表明這兩種狀態(tài)都源于類似的睡眠意識(shí)機(jī)制。

迪卡特正在繼續(xù)探索這種睡眠意識(shí)究竟是什么樣的。他正在進(jìn)行一項(xiàng)調(diào)查（在新標(biāo)簽頁中打開），以了解更多關(guān)于人們?nèi)胨瘯r(shí)的心理體驗(yàn)。這些想法和心理圖像很難記住，因?yàn)橐涀∷鼈儯覀儽仨毿褋怼?/p>

有時(shí)，我們會(huì)在即將入睡時(shí)醒來，或者從睡眠周期的深處醒來——這些時(shí)候我們本不應(yīng)該醒來。也許是同床的伴侶翻身吵醒了我們。也許是鑰匙在堅(jiān)硬的地板上發(fā)出的叮當(dāng)聲。或許是大腦本身出了問題，它錯(cuò)誤地判斷了何時(shí)應(yīng)該喚醒某些區(qū)域。

你的睡眠意識(shí)被打斷了。你從睡夢(mèng)的邊緣猛然驚醒，眨了眨眼，睜開了眼睛。

About the author：Yasemin Saplakoglu

腦叔創(chuàng)建了一個(gè)名為“丘腦大叔·大腦管家”的知識(shí)星球，我把它定位為一本不斷更新的大腦進(jìn)化訓(xùn)練指南，旨在分享大腦認(rèn)知行為和健康知識(shí)、陪伴并幫助腦友們解答大腦認(rèn)知、情緒健康問題，提升大腦認(rèn)知，幫助大腦進(jìn)化，尋找幸福的人生！

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