我们为什么要睡觉?新的科学帮助我们解读其中的秘密!(长文)

我们来到这个地球是为了生活是不真实的。我们来只是为了睡觉,做梦。——阿兹特克诗

人类一直想知道我们为什么要睡觉。早在伽利略想预测钟摆的周期或了解物体下落的速度之前,一个充分休息的史前头脑可能会思考这个问题。为什么我们必须将自己置于这种潜在的危险状态,这种状态会消耗我们大约三分之一的成年生命,甚至更多的童年?我们不会勉强地这样做——为什么我们和狗、狮子和几乎所有其他动物一样,显然喜欢它?与测量钟摆周期不同,科学家们必须等待更长的时间才能获得可靠的答案,因为在陌生人观看的情况下睡觉并不容易。这样做涉及为人类建立睡眠障碍诊所和复杂的结构,例如鸭嘴兽,以观察鸭嘴兽的 REM(快速眼动)睡眠。

在过去的几十年里,有关不同物种以及人类从出生到成年的睡眠状态持续时间的大量数据被收集起来。这些发现还与潜在的相关因素相一致,例如褪黑激素、大脑大小、代谢率、寿命以及促进睡眠的基因和神经元。即便如此,直到最近,我们还缺乏可以预测的定量理论,例如,为什么老鼠每天的睡眠时间大约是鲸鱼的 10 倍;为什么婴儿人类的睡眠时间大约是成年人的两倍?为什么 REM 和总睡眠时间随着婴儿体型的增长而变化得比它们在不同物种之间的体型差异相似时的变化要快得多;以及为什么温度会影响果蝇等冷血动物的睡眠时间。

我们的工作已经开始填补这一空白。借助一种新的数学方法来解决我们为什么睡觉的问题,我们的框架带来了理解睡眠数据和回答其基本问题的全新方法。许多早期的研究可能已经失败,因为他们更专注于对睡眠的无数方面和特性进行分类,而不是确定它的用途。相比之下,由我们的方程预测并由经验数据支持的规律模式,源于我们对确定睡眠主要功能的关注。通过深入了解新陈代谢的作用和大脑的特殊状态,我们发现了睡眠功能从婴儿期到成年期的突然而令人惊讶的转变,

一世1894 年,俄罗斯最早的女医生之一玛丽·德·马纳塞因 (Marie de Manacéine) 发表了一篇引人注目的论文,表明当幼犬完全睡眠不足时,它们会在几天后死亡。她的实验是在 10 只小狗身上进行的,这些小狗的年龄从 2 个月到 4 个月不等,它们由它们的母亲喂养,并得到很好的照顾。作为控制措施,她剥夺了其他小狗的食物但不剥夺睡眠。这些狗在饥饿 20 到 25 天后可以恢复健康,而那些被剥夺睡眠的狗只在 4 到 6 天后就“无可挽回地失去了”。她的结论很明确:“对动物来说,完全没有睡眠比完全没有食物更致命”。

尽管她的方法不符合现代伦理或实验标准,但她的结果已被其他观察和随后几年更严格的研究证实:长期睡眠剥夺不仅会导致狗的死亡,还会导致老鼠、果蝇和甚至人类也可能是因为一种被称为致命失眠症的疾病。这种可怕的综合症包括逐渐恶化的失眠状态,导致在一两年内死亡。这是朊病毒蛋白编码基因突变的结果,类似于更为人所知的“疯牛病”。没有已知的治疗方法。

每晚睡眠不足 6 小时的人死亡风险高13 %,正如 Manacéine 在她论文的开篇所说:“这类事实清楚地表明,睡眠不足会产生最有害的影响。” 除了致命的失眠,睡眠剥夺总是会导致意识状态的改变,表现为记忆力减退、意识模糊、易怒、幻觉、抑郁甚至痴呆等功能障碍。对因睡眠不足而死亡的动物进行的检查显示严重的脑组织损伤,包括局部出血和脑神经节变性。然而,睡眠剥夺继续被用作审讯工具,其支持者声称这不是“酷刑”。

充足的睡眠是身体健康的关键因素——与良好的营养一样重要——这一想法是许多社会迟迟未能接受的。现代生活方式的压力和节奏当然不鼓励健康的睡眠习惯,无论是来自工作压力还是无处不在的焦虑引起的失眠增加。也许从COVID-19大流行中出现的少数积极因素之一是,医生和健康专家一直在公开敦促人们获得充足的睡眠,以维持和促进强大的免疫系统。

无论是个人还是集体,我们中的许多人一直不愿承认睡眠对我们的长期健康至关重要。平均而言,每晚睡眠时间少于 6 小时的人的死亡风险比睡眠时间在 7 到 9 小时之间的人高13 %。由于较高的死亡率和较低的生产力,普遍的睡眠剥夺估计每年给美国经济造成超过4000 亿美元的损失。在光这些影响,这是令人惊讶的是没有包括的28个研究机构的美国国家卫生研究院明确专门的睡眠,有些来自专门的睡眠障碍的一种国家中心来最大幅度的支持研究安置的内美国国家心肺血液研究所。这反映了睡眠研究在学术界和医学界发挥的作用相对较小,至少直到最近。虽然没有“国家睡眠研究所”,但至少睡眠研究开始在全球范围内得到更积极的支持和追求。

近年来,神经生物学研究揭示了许多与睡眠有关的潜在机制。荷尔蒙、细胞和酶——它们的活性和表达水平在睡眠期间以及睡眠和清醒状态之间变化——都已被确定。我们已经学到了很多关于睡眠的生理学、解剖学和生物化学。从这个意义上说,当我们说我们了解我们为什么睡觉时,我们真正的意思是我们了解是什么让我们昏昏欲睡,我们如何睡觉,以及睡眠不足会导致哪些功能障碍。

但所有这些都没有回答更基本的问题,即为什么我们首先需要睡觉。睡眠的功能究竟是什么?我们一生中大约有三分之一的时间都在睡觉,但我们不知道为什么需要这样做。如果我们尽量不这样做,可怕的后果就会随之而来。为什么我们每晚需要大约八小时的睡眠,而只有三到四个小时(如大象)或少于两个小时(如抹香鲸)就无法度过?随着我们从童年到成年,为什么我们的睡眠需求会从婴儿时期高达16 小时左右(与小得多的老鼠或鼩鼱的睡眠相比)减少到标准的 8 小时到期?这些不同的时间尺度从何而来,为什么?

了解睡眠的起源尤其令人烦恼,因为睡眠似乎几乎没有任何进化优势。恰恰相反:如果一个有机体不需要,为什么会进入无意识、脆弱的状态几个小时?存在应对夜间的问题,所以也许睡眠进化只是为了适应黑暗的挑战。另一方面,许多动物是夜间活动的。此外,老鼠和鼩鼱等哺乳动物的睡眠时间比夜晚的长度要长得多;其他动物,如大象和鲸鱼,则要少得多。最后,夜长跨季节和纬度变化显著,何必人的睡眠时间已经定居在大约八小时约“通用”的价值?

一个很容易被拒绝的关于睡眠的直观解释是,它需要保存能量、休息和恢复我们的身体。我们确实在睡眠时降低了平均代谢率,但仅降低了15 % 左右——每晚仅100 卡路里食物,相当于一片面包和黄油。这似乎不足以证明睡眠的复杂性、脆弱性和挑战是合理的。

需要有专门的停机时间。毕竟,一边开车一边修理汽车是很鲁莽的。尽管如此,人们普遍认为睡眠的两个主要功能之一是修复生活的磨损,这是维持我们活着的代谢过程的副产品的损害。从人类到寄居蟹,生命是通过网络(例如心血管系统)维持的,这些网络在所有尺度上传输代谢能量,为细胞、线粒体、基因组和其他细胞内单位提供服务和喂养。就像高速公路上汽车和卡车的摩擦或水通过管道的流动导致持续损坏和腐烂一样,流经我们网络的血液、资源、细胞和能量也是如此。除了熟悉的循环系统,线粒体中存在类似的生化反应网络——我们能量的基本来源——通过产生自由基来伤害我们的身体。自由基是具有不成对电子的任何原子或分子,反过来,这又使其具有高度的挥发性和破坏性。黑巧克力和蓝莓等抗氧化剂可作为此类损害的保护缓冲。因此,睡眠有助于修复血流和生化力量造成的损害。确实,认识到维持我们的系统也在不断地使我们的身体退化,这是发人深省的。因此,睡眠有助于修复血流和生化力量造成的损害。确实,认识到维持我们的系统也在不断地使我们的身体退化,这是发人深省的。因此,睡眠有助于修复血流和生化力量造成的损害。确实,认识到维持我们的系统也在不断地使我们的身体退化,这是发人深省的。

睡眠的另一个主要功能是重组和重新配置我们大脑中的神经连接,以响应我们不断收到的无数感官输入。它们既来自外部环境,也来自我们体内的刺激,例如我们的心跳和来自肠道的信号。这种持续的日常处理是学习和记忆的基本组成部分。为了保持高效和有效,它还涉及修剪很少使用的突触、重新排列和丢弃旧通路和连接,以及构建新通路。因此,每一个转瞬即逝的想法、每一个梦想、每一个新想法都是你大脑的潜在重构,只有通过使用代谢能量才能发生。

尽管这两种功能——大脑的修复和重组——反映了我们需要睡眠的不同原因,但它们有两个主要特性。首先,它们都与新陈代谢直接相关,因为代谢能量既可以促进神经网络的重组,也可以修复由能量产生和传递的副产品引起的损伤本身。第二个共同特征是它们都发生在一个基本上从不替换神经元的大脑中(不像大多数其他器官和组织的细胞不断被替换和再生)。因为受损的神经元几乎永远不会被替换,所以必须忠实地修复它们,以便在保持多组分大脑完整性的同时启用和保存记忆和学习。

由于这些原因,大脑中神经元的有效修复和重组不可能在不破坏生物体正常功能的情况下发生。因此,需要有专门的停机时间。毕竟,在驾驶汽车时修理汽车是很鲁莽的,而且可能很危险。这就是为什么您停止电机并将其带到机械师处。同样,市区道路或地铁系统的大修、城市垃圾清理以及计算机系统和网络的升级通常在用户明显减少的晚上或周末进行。这就是为什么我们的大脑和身体在进行大部分必要的修复和重组时似乎“关闭”的原因,从而减少了潜在冲突和对日常运营的干扰的机会。这就是为什么我们需要时间睡觉。

一世就您的大脑而言,您一生中的大部分时间都是“您”。但这只有在对大脑的细胞损伤得到忠实修复以保持其长期完整性和特性的情况下才能得到保证。如果没有,“你”将开始转变为某人或某物——事实上,如果你的睡眠严重不足,你会很快变成这样。相比之下,那么认真地修复我们的其他器官和组织就没有那么重要了。事实上,正是 Manacéine 和其他人在最初的研究中出现的大脑损伤和出血,让我们第一次暗示睡眠主要是为了大脑。进一步的支持来自这样一个事实,即大脑吸收了我们整个身体使用的所有能量的20 % 以上,即使它仅占2%。其质量的百分之几。大脑需要的不仅仅是它的份额,因为它需要处理感觉信息和操作我们的身体,以及在我们睡觉时修复和重组这些神经网络。

忠实修复和神经重组的需求为开发睡眠定量理论提供了一个强有力的起点,因为它们与代谢率的关系。对睡眠日益增长的兴趣以及对其在良好健康中的核心作用的认识激发了许多研究,这些研究阐明了我们入睡的方式和原因。然而,出现的速度要慢得多的是一个全面的理论框架——一个既可量化又可预测的框架,用于理解我们为什么需要睡觉。是什么设定了睡眠时间尺度来解释为什么人类需要八小时,而大象只需要三个小时?修复和神经重组的相对作用是什么?随着我们从婴儿成长为成年人,这些会如何变化?我们需要一个框架来开始破解这些谜团。

新陈代谢由通过心血管系统从肺部输送到细胞的氧气提供燃料。在从老鼠到大象的所有动物中,从婴儿到成人的整个发育过程中,心血管系统都有一些共同的特征,可以在一个总体框架内描述和理解它们。这些特征是由于基本的生物学特性而产生的——例如最小化泵血的能力,需要分支网络跨越身体并喂养所有细胞,以及具有相似大小和结构的毛细血管,红细胞通过这些毛细血管流动以输送氧气到细胞。总之,这些特性共同创造了所有生物学中最普遍的模式之一,称为生物或异速生长缩放。

大动物比小动物需要的睡眠少,成年人比婴儿需要的睡眠少。简而言之,这意味着几乎所有的生理速率和时间——从寿命到人口增长到细胞周转再到怀孕——都以一种系统的预测方式随着体重而变化,在数学上称为“四分之一功率缩放”。例如,一头大象比松鼠重 10,000 倍,因此,由于这些缩放定律,它的寿命大约长 10 倍,生长速度慢大约 10 倍,细胞更换频率大约是松鼠的 1/10,并且花费大约分娩前怀孕时间长 10 倍。鲸鱼、长颈鹿、人类和猫可能看起来完全不同,生活在完全不同的环境中,但由于自然选择和共享祖先的持续过程,我们都遵循相同的基本规则、限制和权衡我们的大小。

尽管这些比例关系无处不在,但睡眠是一个显着的例外——事实上,正是这一点首先让我们对睡眠的功能有了新的认识,并需要以全新的方式分析数据。具体来说,虽然总睡眠时间会随着不同动物的体型或随着婴儿的成长而变化,但它并不遵循上述模式:睡眠时间不会随着体型而增加,而是会减少!例如,对缩放定律的天真推断会导致我们预期大象的睡眠时间是松鼠的 10 倍。但不仅大象的睡眠时间比松鼠少得多,差异大约是四到五倍,而不是 10 倍。同样,蹒跚学步的孩子比新生儿睡得少,而不是更多。

这个极其令人费解的结果与我们和其他人研究了几十年的所有生物时间相反,以不同的速度运行。经过反复摸索,我们得出了两个范式转换假设,可以解释这种困境。

首先,如果我们记得睡眠与新陈代谢的关系,那么大小和睡眠时间之间关系的倒置是有道理的。睡眠可以抵消能量产生造成的损害,睡眠也是反应性的通过对从环境处理的信息进行编码所需的神经重组来刺激。此外,修复的抵消工作和重组的反应工作,每一个都以本身由新陈代谢决定的速度发生。虽然整个身体的代谢率随着动物的大小而增加——无论是观察不同大小的物种,还是随着我们长大而增加的大小——根据异速生长比例关系,它这样做会导致每克组织的代谢率下降与体型。因此,当动物较大时,它对固定体积的组织或细胞的损伤较小。因此,它需要更少的能量和更少的睡眠时间来完成修复。

其次,如果代谢率不是由整个身体设定的,而是由身体的某个部分以相对于身体尺寸。这让我们回到大脑:与大多数其他器官和组织(如心脏)不同,长期以来人们一直观察到,大脑的大小随着不同物种的体型和婴儿的成长而呈非线性变化。这意味着,例如,大象的大脑仅比松鼠的大脑大 1,000 倍,而不是我们从其他器官和组织观察到的体重线性缩放所预期的 30,000 倍比如心脏。

有了这两个见解,我们做了一个粗略的计算,看看修复和重组是否对大脑中的代谢过程(大脑的扩展速度比整个身体更慢)有反应,可以解释睡眠时间如何变化的长期难题– 为什么大动物需要的睡眠比小动物少,为什么成年人需要的睡眠比婴儿少。我们很高兴看到结果在正确的范围内,那时我们开始认真对待这些想法,以推导出严格的、定量的和预测性的睡眠理论。

由于我们过去的研究,我们能够很好地开发方程式来表达睡眠时新陈代谢在修复和重组中的作用。以前,在研究衰老和寿命理论时,我们计算了新陈代谢造成的损害程度的估计值。我们关于睡眠的新理论是这一点的产物:我们在清醒时遭受的任何损害都必须通过睡眠期间修复这种损害所需的能量来平衡。我们通过观察大脑和身体来将这一见解置于语境中,以找出比例关系揭示了哪些在睡眠中起主导作用的比例关系。

这使我们能够推导出将睡眠时间与清醒时间相关联的基本方程。从那里,通过简单的代数运算发现表达和测试新理论的最佳方式是关注总睡眠时间与总清醒时间的比率如何随大脑(或身体)大小而变化。这代表了一个重大的偏离,因为之前的研究只关注绝对而非相对的睡眠时间或清醒时间。此外,我们的方程还要求在测试我们的理论时,绘制数据的适当空间是对数空间——从 1 到 10 的步长与从 10 到 100 或从 100 到 1,000 的距离相同的空间。这些简单的数学运算和变换——时间比,

为了测试我们的理论,我们首先分析了现有最大的成年哺乳动物睡眠时间数据集,范围从老鼠到大象。当根据我们的理论绘制这些数据时,我们很高兴地发现它们按比例缩放,正如我们对睡眠主要用于修复大脑的情况所预测的那样。这不仅适用于总睡眠时间。跨物种,我们还可以预测 REM 睡眠的比例和睡眠周期时间的缩放 - 在 REM 和非 REM 睡眠之间循环需要多长时间。这是非常令人满意的,让我们相信我们找到了正确的机制和正确的理论来解释我们为什么需要睡觉。事实上,我们已经推导出了一个关于成年动物睡眠时间的数学公式。

作为进一步的测试,我们后来想知道该理论是否也适用于随着个体成长而睡眠的变化。我们都知道新生儿和儿童的睡眠时间比成人长得多——但这是否反映了我们在不同物种中看到的变化速度和幅度?生长期间睡眠时间的减少是否反映了体型不断增加的哺乳动物的睡眠时间减少?该理论提出后,随着对理解睡眠的兴趣获得更广泛的科学和大众吸引力,出现了关于总睡眠时间、REM 睡眠时间、大脑大小和从人类出生到成年的其他特性的新数据。

睡眠的目的从儿童的神经重组转变为长大后的修复。

我们和我们的合作者怀着极大的期待绘制了新数据——并失望地发现儿童睡眠时间的比例与我们在不同物种中发现的结果大不相同。显然,我们的理论在应用于成长中的儿童时是不正确的。当我们进一步观察到 REM 睡眠量随着我们的成长而发生深刻变化时,我们的困惑越来越大。这与 REM 睡眠时间在不同物种之间几乎没有变化的方式形成鲜明对比。最后一个惊喜,我们还发现大脑代谢率和突触形成率(神经元之间的连接)的比例与我们预期的完全不同。

这些发现加强了我们对奇怪的和生物学上不寻常的睡眠过程的迷恋。然而,他们也明确表示,并且基本上“证明”了我们成长时需要睡眠的原因似乎与我们成年后需要睡眠的原因有着根本的不同,以及为什么睡眠因物种而异。因此,与睡眠和统计学专家 Junyu Cao、Alex Herman 和 Gina Poe 合作,我们回到了该理论的另一种版本,基于睡眠主要用于神经重组以处理来自日。从这个角度来看,睡眠仍然与大脑及其代谢活动有关——就像成年动物的修复理论一样。儿童早期出现的巨大差异是因为大脑的生长方式与成人大脑中的过程相比,我们早年的过程本身就非常不寻常。特别是,突触形成和大脑代谢率在这些早期阶段以惊人的速度增加:大脑大小增加一倍导致突触密度和大脑代谢率接近四倍。

基于这些见解,我们扩展了我们的理论,以便在生命早期睡眠的主要功能是神经重组,而不仅仅是修复。而且,瞧,我们能够预测观察到的总睡眠时间和 REM 睡眠时间如何在早期发育过程中随大脑大小和代谢率变化的关系。

将我们跨物种的发现与跨生长的发现进行比较,让我们想到了最后一个问题。如果睡眠的目的从孩提时的神经重组转变为长大后的修复,那么这种转变究竟何时发生,又有多突然?凭借我们的新理论加上人类发育数据,我们可以以惊人的准确度回答这个问题:这种转变发生在我们非常年轻的时候——大约2.5岁——而且它发生得非常突然,就像水在 0°C 结冰一样。

我们对这个惊人的结果感到高兴。首先,它让我们更加认识到睡眠的重要性:我们永远不会再低估它对我们孩子的重要性,尤其是在他们生命的最初几年,他们的睡眠正在做一些完全不同和非常重要的事情,一些事情似乎无法在以后的生活中弥补。其次,我们发现这两种睡眠状态虽然从外面看起来非常相似,但实际上类似于2.5 岁这一分界线前后完全不同的物质状态。在2.5 岁之前,我们的大脑更具流动性和可塑性,使我们能够快速学习和适应,类似于水绕过障碍物的状态。后2.5 年,我们的大脑更加结晶和冻结,仍然能够学习和适应,但更像冰川缓慢地穿越景观。

许多问题仍然存在。不同人类和不同物种的睡眠有多大差异?可以延长这种早期的睡眠流动阶段吗?对于某些人来说,这个阶段是否已经延长或缩短,与此相关的成本或收益是什么?睡眠的哪些其他功能与修复和神经重组的主要功能相辅相成?睡眠的不同原因如何在不同年龄甚至一个晚上内竞争或分享睡眠时间?要完全解开睡眠的奥秘还需要做更多的工作,但我们最近的见解——关于睡眠目的的年龄变化以及量化这些变化的数学预测理论——代表了进一步探索这些深度的重要工具。

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