为什么人类需要睡眠？

为什么人类需要睡眠？

玛利亚·克里克瓦/纽约时报

睡眠，从表面看来它完全是在浪费我们的宝贵时间。为什么我们的身体要演化出这么一种奇怪的机制？为什么我们会放任人生近三分之一的时间就这么白白流逝掉，却不用它来从事些有益或者好玩的事情？想当年——当我们的祖先还生活在热带亚热带稀树草原上的远古时代，睡眠无疑大大增加了丧命的危险，但为什么——为什么睡眠对我们来说如此必不可少？

“当你露宿野外时，呼呼大睡实在太过危险，”美国罗切斯特医学院(Rochester’s medical school)睡眠功能研究的领导人，丹麦生物学家麦肯·尼德佳德(Maiken Nedergaard)告诉我。“睡眠必定有其演化意义上的基本功能，否则它绝不可能在自然选择下存留至今。”

此前我们已经获知，睡眠对于记忆的形成和巩固至关重要，它在形成新的神经连接及修整旧有神经连接的过程中发挥了核心作用。但是，冒着半夜落入豹吻的风险只为获得这么一点回报，似乎还不够划算。“假如睡眠只能帮你记住你昨天的所作所为，那么它就不会如此重要，”尼德佳德博士解释说。

在去年秋天发表于《科学》杂志(Science)上的一系列新研究中，尼德佳德实验室可能终于为解答睡眠的重要性问题找到了关键线索。原来，睡眠在大脑生理层面的“维护保养”中作用举足轻重。当你的身体陷入沉睡，你的大脑依然尽职尽责地担任着你的“精神管理员”，替你把你白天思维活动时累积起来的“垃圾”清扫得干干净净。

让我们来回顾一下体育锻炼时你的身体都会发生哪些反应：刚开始你精力充沛，但不久你的呼吸就开始不均匀，肌肉疲劳，耐力也逐渐达到极限。这说明在你体内提供氧气的速度已经无法满足所有肌肉的需要，迫使它们不得不采用厌氧方式产生能量。虽然该过程可以保证你继续运动，但它有一个副作用：有毒的副产物将在你的肌肉细胞中积累。幸而，人体拥有淋巴系统来帮你清除这些副产物，使你的身体恢复正常功能，免于遭受任何永久性损伤。

淋巴系统是人体的管理员：无论何时，只要有垃圾形成，它都能把它们打扫干净。但对于大脑，淋巴系统却鞭长莫及。大脑消耗的能量可以达到全身总耗能量的20%左右。它要如何清除β-淀粉样蛋白（一种与阿尔茨海默氏病相关的蛋白质）之类的垃圾呢？在脑力运动之后，该怎么处理积累下来的废物？

“让我们拿鱼缸来打个比方，”尼德佳德博士说。“假如你有一个鱼缸，可这个鱼缸上没有过滤器，所有的鱼最终都将难逃一死。那么，脑细胞要如何保护自己免受自身废弃物的损伤？它们的过滤器在哪里？”

直到几年之前，以循环理论为基础的模型一直非常风行。该模型认为，大脑可以在个体细胞水平上分解β-淀粉样蛋白及其他代谢产物，并对其循环利用，从而实现“垃圾清理”。一旦该程序失灵，细胞废弃物就会积聚，进而导致年龄相关性认知功能减退、阿尔茨海默氏病等疾病。但尼德佳德博士认为这“说不通”，“大脑太过繁忙，不会有余力去循环利用”所有的能量。她提出了一套自己的假说：大脑拥有自己的“淋巴系统”，这个复杂的管道网络通过水性的脑脊液来清除毒素。她将其命名为脑部类淋巴系统(glymphatic system)。首字母“g”代表该系统依赖于神经胶质细胞（大脑中的支持细胞，其主要作用在于维持自稳态，并保护神经元），后半部分则表明其功能与淋巴系统(lymphatic system)类似。

上述概念并非尼德佳德博士首创。“早在大约一百年前，人们就已经提出了这一理论，只不过当时的人们没有合适的工具来研究它，”她说。现在，在先进的显微镜和染色技术的协助下，她的研究团队发现，大脑组织间隙——位于脑组织细胞之间的充满液体的区域，约占总脑容量的20%——专门负责清除脑细胞的日常废物。

尼德佳德博士研究团队的成员对小鼠实施了麻醉，然后将微小的荧光示踪剂注入它们的脑脊液。他们发现，这些示踪剂迅速进入了大脑，并沿着特定、可预测的路径从脑中排出。

下一步，研究人员探讨了glymphatic系统究竟是在何时，以及如何执行其功能。“我们认为，这一清理过程可能需要巨大的能量，”尼德佳德博士说。“于是我们进一步想问，我们会不会是在大脑不再处理任何信息时——即，入睡后，才进行这些工作的？”

在对小鼠进行了一系列的新研究之后，她的研究团队发现事实的确如此：当小鼠的大脑处于睡眠或麻醉状态之下时，它一直忙于清除在清醒时积累下来的那些垃圾。

在小鼠的脑部，组织间隙约占总脑容量的14%，比我们脑中所占的比例要小。但尼德佳德博士发现，当小鼠入睡后，组织间隙的体积可膨胀至总脑容量的20%以上。这不仅使脑脊液得以更自由地流动，还使其可以达到脑部更深的部位。在清醒的脑中，脑脊液只能沿着大脑表面流动。确切说来，清醒时的脑脊液流量仅为睡眠时的5%，而睡眠时大脑清除废物的速度可达清醒时的2倍。“在小鼠清醒时，我们几乎观察不到有脑脊液流入大脑；但小鼠被麻醉后，脑脊液就开始流动。其间的差异如此之大，害我一直担心是不是有什么事情不对劲，“尼德佳德博士说。

类似的人体研究仍有待未来实现。尼德佳德博士正期待着董事会的批准——她希望能有机会与石溪大学(Stony Brook University)的麻醉学家海伦妮·本维尼斯特(Helene Benveniste)合作，共同对成年人的大脑进行同类研究。

迄今为止，人们发现在狒狒、狗和山羊等动物中，都有glymphatic系统在发挥“神经管家”的功能。“脑容量越大，”尼德佳德博士说，“应该就越需要这么一个系统。”

现代社会越来越无力保证我们的大脑进行这些清理工作所必需的时间。以下数字无不昭示着这一严峻事实：约80%的成年职业劳动者遭受着一定程度的睡眠剥夺。全美睡眠基金会(National Sleep Foundation)指出，成年人每天应睡眠七至九小时。平均而言，当今人们每夜的睡眠时间较之50到100年前少了一至两个小时，工作日之夜的睡眠时间比10年前还要短38分钟。在美国，约有5000至7000万人受到某种形式的慢性睡眠障碍的困扰。无论出于何种原因，只要睡眠受到了干扰，我们的清理系统就会失灵。宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)睡眠与节律神经生物学中心(Center for Sleep and Circadian Neurobiology)的西格丽德·维齐(Sigrid Veasey)一直在潜心钻研彻夜难眠是如何扰乱脑部的正常代谢的。当脑部垃圾堆积如山时，我们的认知功能又会受到怎样的影响？

在最极端的情况下，它可能导致阿尔茨海默氏病、帕金森氏病等神经退行性疾病病程的加速。虽然我们还不知道到底是睡眠不足导致了这些疾病，还是这些疾病本身导致了睡眠不足——维齐博士称其为“先有鸡还是先有蛋的经典问题”——但我们明确可知的是，这两者密切相关。随着神经退行性疾病特征性的睡眠障碍的持续，往常依赖于glymphatic系统在正常睡眠期间清除的几种蛋白质，如β-淀粉样蛋白和tau蛋白等在脑部堆积，而上述两种蛋白均与阿尔茨海默氏病和其他多种痴呆症相关。

“对我来说，”维齐博士说，“尼德佳德的研究中最引人注目的就是这一点：清醒时间的延长导致大脑清理垃圾的能力显著降低。”如果我们睡不好，就等于坐视这些可导致神经变性的垃圾继续堆积。

即使是在相对不那么严重的情况下——譬如这一周你的工作压力特别大，你不得不开夜车或者每晚只能眯上几个小时，睡眠剥夺仍然会影响你的集中力，使你无法用心注意周围的环境，并阻碍你有创造性地对信息进行分析——只要经历过的人都会对此深有体会。“当我们遭受睡眠剥夺时，就无法有效地将事实的片段整合在一起，”维齐博士如是说。

然而，在偶尔的睡眠不足与因倒班工作或失眠等原因导致的慢性睡眠剥夺之间存在着根本性的差异。在不久后将发表于《神经科学杂志》(The Journal of Neuroscience)上的一组研究中，维齐实验室发现，虽然我们的大脑可以从短期的睡眠不足中迅速恢复，但慢性、长期的失眠和睡眠紊乱会对大脑的新陈代谢造成强烈的应激压力。结果导致与警觉和正常皮层功能有关的关键神经元发生变性，与衰老和神经变性相关的蛋白质不断积累。

这就像是偶尔有一天暴风雪干扰了垃圾清扫工作与清洁工长期罢工之间的区别。后者可没那么容易解决，即使罢工结束了，垃圾碎屑漫天飞的状况却可能在相当长的一段时间内继续持续。“从睡眠不足中恢复的过程比我们想象的要慢，”维齐博士指出。“我们曾经以为，只要经过一点补眠，一切就会回复正轨。但这项研究告诉我们事实并非如此。”

维齐博士表示，如果你把她的研究与尼德佳德实验室的研究结果结合起来看，你就会发现，“很显然，在清醒的大脑中，组织间隙的清理功能无法正常进行。我们这才开始意识到，不好好睡觉就等于是在对大脑施加不可挽回的损害，使其过早衰老或者格外容易受到其他伤害。”

在当今这个不仅人们普遍存在慢性睡眠不足，而且老龄化也在迅速加剧的社会里，这无疑是个噩耗。“虽然童年时代糟糕的睡眠未必会导致阿尔茨海默氏病或帕金森氏病，”维齐博士说，“但它很可能让这些疾病提前十年左右找上你。无论从健康和经济的角度而言，其影响均十分深远。”

这简直是一种恶性循环。当我们延长工作时间，身体的应激压力就会增大；睡眠时间减少，损害了大脑在繁重工作后自我清理的能力，结果就愈发难以熟睡。假若我们求助于安眠药的催眠魔力，情况又会如何？尽管有关辅助睡眠对glymphatic系统影响的研究还有待完成，但我所采访过的睡眠研究人员普遍认同，尚无证据表明辅助睡眠与自然睡眠同样有效。

然而，希望依然存在。如果睡眠的主要功能确实在于清理神经垃圾，该观点将启发我们从全新的视角来认识神经退行性疾病和常规的年龄相关性认知功能减退。通过开发可衡量glymphatic系统功能的诊断测试，我们距离预测个人的阿尔茨海默氏病及其他痴呆症风险这一目标就更近了一步：脑部垃圾的清理速度越快，大脑新陈代谢的运作就越有效。

“该测试也可以用于在急诊室对创伤性脑损伤进行鉴定，”尼德佳德博士说，“从而判断哪些伤患存在认知功能减退的风险。”

我们也可以将研究重点放在开发能更早实施，效果也更好的干预措施之上，以预防认知功能的减退。其中一种思路是：让睡眠不足的人享受到更为深沉的睡眠——只是，如何才能达成这一目标？在尼德佳德博士的研究中，麻醉小鼠清除脑部垃圾的效率几乎可与正常睡眠状态下的小鼠相当。“这真令人振奋，”维齐博士说。尽管现有的辅助睡眠可能还没有这种神奇的魔力，且日常使用麻醉剂也太过危险，但研究结果表明，或许还有更好的药理学途径能够改善睡眠。

既然现在我们对睡眠的重要性有了更好的了解，新一代的药物制造商或应致力于从一开始就为这一垃圾清理工作创造最理想的环境，以保证大脑的睡眠代谢能够尽可能高效地进行。

第二种思路则采取了相反的策略：如果可以在清醒的大脑中模仿睡眠中的促清理作用，那么人也可能不再需要一整夜的熟睡。迄今为止，医药产业尚未以大脑的代谢过程为靶标进行过此类探索。这只是因为此前还没有足够的证据表明其重要性。然而，随着数据资料不断演进，未来的药物干预将得以直接着眼于glymphatic系统，促进完全清醒的大脑也产生睡眠大脑特有的强大清理能力。有朝一日，科学家们将成功地模拟出脑部组织间隙的扩张，这样我们的“精神管理员”就可以日以继夜地以最高的效率为我们清理脑部垃圾。

待到那一天到来，科学家们说不定还会更进一步，去研发更加神奇的药物：维齐博士开玩笑说，有了它，“搞不好我们再也不需要睡觉了。”

玛丽亚·康尼科娃(Maria Konnikova)是《驾驭心智：像福尔摩斯一样思考》(Mastermind: How to Think Like Sherlock Holmes)一书作者。

翻译：任扶摇