失去意識還占用時間，睡眠的意義到底在哪？

2024-03-16科學

睡眠不僅消耗大量時間，而且還會導致動物們意識消失，這無疑對動物的生存極為不利，意義何在？就算真的需要睡覺，為什麽沒有睡覺時還保持意識的動物？

本篇文章回答了這個終極問題。

睡眠需要花費大量時間，僅從生存競賽來說，對動物是不利的（圖片來源： Wikipedia）

睡著了為什麽會失去意識？

關於這一點，有幾種解釋。

1.調整狀態說

神經活動會增強與訊號傳遞路線有關的突觸，越是被高度使用的突觸，強度也會變得越大。例如在一個實驗中，讓一只貓只用一只眼睛觀察，與它睜開的眼睛相連的視覺上皮顯示出更強的神經連線。動物每天都要接收大量的資訊，這種正反饋過程會使得一些神經回路被飽和而固定化，而神經系統需要神經回路處於靈活狀態。

在睡眠過程中，突觸的強度會降低，其中睡眠前只有輕微增強的突觸有機會恢復常態，而只讓睡眠前增強狀態最高的突觸依舊保留一定增強狀態。這一過程類似於落潮，睡眠前是漲潮狀態，突觸被海量資訊淹沒，睡眠後資訊大潮退去， 大部份突觸得以休息，只有少部份突觸還處於被淹沒 （也就是啟用）狀態。

新的訊號也會在有關神經回路上形成新的突觸。如果這種趨勢持續下去得不到控制，樹突就會被突觸占滿而無法形成新的突觸。 睡眠過程會對一些突觸進行「修剪」，去掉那些不重要的突觸，使神經系統再次處於可以進行適應力變化的狀態。

由於意識是在神經回路活動的基礎上產生的，這個對突觸的調整過程也會使意識暫時「關閉」。

2.轉移記憶說

神經系統在處理外來資訊時有關回路會發生強化，這也被認為是記憶形成的機制，即資訊儲存在神經回路的強度中。這有些類似人在草地上踩出的墨點就是人活動的記錄。但是同一條回路不能既保持原有記憶又同時形成新的記憶，因此 記憶需要轉移到腦中別的地方儲存起來，形成永久記憶 。

在人腦中，記憶是從下丘腦轉移到大腦皮層的，類似於電腦將RAM的臨時記憶轉移到硬碟上。 這個過程也類似於老師「擦黑板」，黑板上的臨時記憶被轉移後，才能夠在上面寫新的東西。REM睡眠時腦的活動狀態與清醒時相同甚至更高，但是腦各部份的連線情況與清醒時不同，也支持記憶轉移說。

正在睡眠的男孩的腦電波記錄，睡眠可能有助於記憶的形成（圖片來源： Wikipedia）

將電極插入小鼠的腦，發現位置細胞（即對動物位置起反應的神經細胞）會在睡眠時重放白天的活動，說明轉移記憶的過程包括對清醒狀態下活動的「回放」。眼球的快速運動並不是持續進行的，而是有停頓和變化，也許和事件的重現過程有關。跳蛛睡眠時視網膜的抽動可能也是在重放白天的視覺活動。

在慢波睡眠中，慢波上的小波（ripple）起伏可能也在重放白天的活動。這些小波就帶有資訊，因此慢波被認為是資訊波的載體。

局部回路的振蕩波就是神經系統的「資訊碼」（neural code）,頻率最高的小範圍振蕩就是「字母」，更慢一些，更大範圍的振蕩能夠「閱讀」這些字母，將其連成「詞」，再大範圍、頻率更低的波則將詞組成句子。0.01-0.1 Hz的最慢波則能閱讀和攜帶所有的資訊。如果用白喉毒素（tetanus toxin）抑制這些小波，它們可以短期記憶白天的活動（如經過的路線），但是不能形成長期記憶。

腦電波的震蕩方式可能就帶有資訊，目前解析這些腦電波也是腦科學中的前沿（圖片來源： Wikipedia）

這個資訊轉移的過程不可以有新的外界資訊進入，否則會幹擾資訊轉移過程。關閉外來資訊輸入的狀態也就是無意識的狀態。這也許能夠解釋睡眠時為何不能保持意識。

以上這些過程都能夠部份解釋為什麽所有的神經系統都需要睡眠，但是在目前，還不清楚這些因素貢獻的相對大小，也不清楚哪一種是動物睡眠最主要的原因。

神經系統必須睡覺的事實表明，演化過程不是萬能的。

為什麽無法演化出

在 睡覺時還保持意識的動物？

神經系統是動物以「吃」為中心生活方式演化出來的，並在其後的演化中越來越復雜，也讓動物們的智力越來越發達。然而神經系統畢竟是由生物材料構成的資訊傳遞和處理系統，它受到自然規律的限制，不可能一直持續工作，我們在使用它的同時，不得不付出大量時間來維護和修理它。 所以，睡覺是我們成為動物必須付出的代價。

那有無可能重新演化出新的神經系統，讓動物們能夠在睡覺維護神經系統的同時還能保持清醒呢？ 答案是否定的。 雖然演化過程創造了許多奇跡，但是演化過程畢竟是生物的隨機變化加自然選擇的結果，沒有設計，沒有方向，只能在已有的基礎上加以修改，而無法推倒重來。

我們能找到許多一直保留著誕生時銘印的演化例子。

最早的生命是RNA的世界，蛋白質也是由RNA分子催化合成的。經過40億年左右的演化，生物體內幾乎所有的化學反應都改由蛋白質分子來催化， 但是蛋白質分子自己的合成仍然由RNA分子催化。

最初的細胞是在鉀離子濃度遠高於鈉離子濃度的水溶液中形成的，盡管地球上的水環境早就變為鈉離子濃度遠高於鉀離子濃度，但所有生物細胞內的鈉離子濃度還是遠低於鉀離子濃度， 細胞不得不消耗大量的能量，不斷將鈉離子泵到細胞外，再將細胞外的鉀離子泵進來。

動物利用了細胞外鈉離子濃度高的狀況，發展出了神經系統。而植物沒有神經系統，也不需要鈉離子，所以對水中的氯化鈉能躲就躲。

原初細胞是在大氣中沒有氧的還原環境中形成的，也只能夠在還原環境中才能運作。盡管22億年前大氣中就出現了氧氣， 所有生物的細胞內仍然保持還原環境。 為此細胞內有高濃度的谷胱甘肽，也有各種抗氧化的酶，但是「抗氧化」仍然是一項艱巨的任務，也成為保健行業最常宣傳的內容。

脊椎動物的眼睛是從位於文昌魚神經管兩邊的感光神經細胞和色素細胞演化而來的，神經細胞發出的軸突一開始就在光線來的方向，導致後來所有脊椎動物眼睛的視網膜都是倒貼的，即突觸位於光線來的方向，而感光結構背朝著光線來的方向，與色素層緊貼。 雖然動物對這種狀況進行了彌補，例如發展出黃斑來獲得清晰的影像，但是盲點和視網膜容易脫落的缺點始終無法克服。

文昌魚是一種極為古老的脊索動物，對研究脊椎動物演化非常關鍵（圖片來源：Wikipedia）

精子生成過程對較高溫度的敏感性也是溫血動物繞不過去的一道「坎」。 出於還不清楚的原因，生精過程在高於35℃的環境中就不能正常進行。這在冷血動物中不是問題，但是哺乳動物的體溫常常高達37℃。在海中生活的哺乳動物如鯨類和海豚可以用流過體表的海水冷卻後的血液給睪丸降溫，所以這些哺乳動物可以將睪丸留在體內。

而在陸上生活的大型哺乳動物（包括人類），由於空氣的冷卻效果比水小得多，被迫產生精子的睪丸置於體外的陰囊中，以躲避體內的溫度。隱睪癥就是睪丸沒有下降到陰囊中，仍然停留在體內，而它總是會導致不育。 然而將這樣重要的器官置於體外，更容易受到傷害，的確不是一個好的「設計」，說明這是這些動物「不得已」而采取的措施。

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陸地哺乳動物的睪丸都暴露在外（圖片來源：Flickr）

神經系統也一樣，基於神經脈沖的資訊傳遞和分析系統一旦建立，就沒有推倒重來的機會。 電腦是人發明的，可以徹底改變運作方式，例如不再使用基於矽基半導體的路線，而改用碳納米管，或者使用量子電腦。

除了神經系統必須睡覺，人類大腦處理資訊的能力也已經沒有多少進一步改善的空間。 神經脈沖產生和傳遞的方式決定了資訊傳遞的速度最多可以達到每秒100米左右，比起電腦中資訊的傳遞速度慢300萬倍。而且這還是在向肌肉傳輸資訊的最粗的有鞘神經纖維的速度。

在我們的大腦中，許多神經纖維都很細，而且沒有髓鞘，傳輸資訊的速度只有每秒0.5米至幾米。假設大腦中神經系統傳輸訊號的速度為每秒1米，大腦的直徑約為20厘米，資訊從大腦的一側到另一側就需要0.2秒。如果資訊處理需要資訊的來回傳遞，需要的時間就更長了。我們每秒鐘最多可以閱讀十來個字，而電腦可以在數秒內掃描數據庫裏面的所有文獻。

具有髓鞘的神經纖維更粗，傳導資訊的速度更快（圖片來源： Wikipedia）

增加神經纖維的粗度，或者增加神經細胞的數量，必然會使大腦的體積更大，資訊傳輸的距離更長，拖慢大腦處理資訊的速度，因此人類大腦的功能已經逼近生理極限。幸運的是，人類已經發展出足夠的智力，能夠設計建造大腦外的資訊傳輸和處理系統，並且使其不斷完善。同樣重要的是，這些系統不是基於神經細胞的，它們也不睡覺。

睡眠的新解釋，

也許藏在另一套神經系統中

科學家們最近在櫛水母中發現了另一類神經系統。它和我們上面談的神經系統有些相似，但是又有重要的區別，很可能是櫛水母獨立發展出來的。

櫛水母（ctenophore）曾經被認為是水母（jellyfish）中的一種，因為它像水母那樣身體透明，大部份為膠質組成，在海水中漂浮，食物消化後的殘渣也主要從口排出。櫛水母的神經系統也為網狀，沒有腦，和水母的神經系統類似。由於這些原因，櫛水母曾經和水母一起，被歸於腔腸動物門（coelenterata），即口也同時是肛門的動物。

櫛水母以其梳齒一樣的櫛板命名（圖片來源： Wikipedia）

但其實櫛水母和水母在身體構造上有諸多不同：水母透過傘蓋的收縮運動，運動方向與口的方向相反；而櫛水母是依靠纖毛的擺動，這些纖毛被安排在數行（一般為8行）櫛板上，擺動方向使得櫛水母運動時，口的方向朝前。每一行的形狀像梳子，每個櫛板像梳子的梳齒，因此英文名為comb jelly，中文用代表梳子的「櫛」字譯為櫛水母。水母和水螅一樣，為「刺細胞動物」（cnidarian），透過發射觸手上帶倒鉤的刺來捕獲獵物，而櫛水母沒有刺細胞，透過觸手上的粘細胞分泌的粘液粘住獵物，因此櫛水母並不是刺細胞動物。

在過去的長時期中，海綿被認為是最原始的多細胞動物，因為海綿身體構造簡單，不運動，也沒有神經系統。近年 來，科學家透過全基因組測序，發現櫛水母可能是最早分化出去的多細胞動物，其余的多細胞動物才發展成為海綿、絲盤蟲和刺細胞動物。

由於櫛水母有神經系統而海綿和絲盤蟲沒有，這就產生了兩種可能性：

一種是神經系統只產生了一次，在所有多細胞動物的共同祖先中就出現了，而海綿和絲盤蟲隨後「遺失」了神經系統。另一種是神經系統產生了兩次，分別是在櫛水母中和刺細胞動物中產生，而所有其他動物後來的神經系統都是刺細胞動物的神經系統發展而來的。

隨後的研究表明，神經系統出現過兩次，即在櫛水母和刺細胞動物分別獨立出現的可能性更大。櫛水母的神經系統和所有其他動物的神經系統也顯著不同，是另一類神經系統。

首先，櫛水母的神經系統的組成就和其他動物神經系統的組成不同。用任何用來標記其他動物神經系統的標記物如ELAV（embryonic lethality and abnormal）和Musashi（二者皆為RNA結合蛋白）都無法標記櫛水母的神經細胞。ELAV和Musashi這兩個蛋白在櫛水母中也有表達，但不是在神經系統中，因此櫛水母的神經系統只能使用其表達的神經肽遞質的抗體來標記。

櫛水母也不使用其他動物常用的神經遞質，包括血清素、乙酰膽堿、多巴胺、正腎上腺素、腎上腺素、奧克巴胺、組織胺、甘胺酸等，而主要使用谷胺酸作為最主要的神經遞質，而且櫛水母中谷胺酸受體基因遠比其他動物的多。櫛水母也使用肽類物質作為神經遞質，但是其13個神經肽前體的序列不與任何其他動物的神經肽相似。

櫛水母的神經系統結構（圖片來源：Burkhardt P. Ctenophores and the evolutionary origin (s) of neurons[J]. Trends in Neurosciences, 2022.）

櫛水母的神經系統構造復雜，有上皮下神經網（subepithelial nerve network, SNN），星型神經細胞、感覺身體位置的平衡器，以及布滿表皮的感覺神經細胞。在上皮下神經網中， 5個神經細胞發出的神經纖維不分樹突和軸突，也不用突觸彼此相連，而是這些神經纖維直接相連，組成網狀結構。神經纖維的細胞膜彼此融合，形成一個合胞體（syncythium），即5個神經細胞有連通的細胞質。這些神經纖維成結節狀（blebbed），類似念珠，珠內有裝有神經遞質的小囊，珠之間的細連線則只能夠讓微管纖維透過。

另外6個星形神經細胞發出神經纖維與這個上皮下神經網密切接觸，但是沒有突觸形成，這些神經纖維也不成念珠狀。

平衡器中的神經細胞，以及身體表面的感覺神經細胞，都透過化學突觸與上皮下神經網相連。這個神經網也透過化學突觸與控制纖毛運動的細胞相連，而且從神經網的任何部份都可以發出突觸，包括從細胞體上發出突觸。突觸可以是單向的，也可以是雙向的，即突觸的兩邊都含有分泌神經遞質的小囊。

從神經細胞的這些連線方式來看，上皮下神經網絡可能是接收並處理資訊，並且發出指令的地方。但是在這個網絡中，5個神經細胞的細胞質是一個整體，資訊如何在網絡中傳遞，如何分析，如何發出指令，現在還完全不清楚。

櫛水母神經系統的這些特點支持神經系統兩次獨立產生的觀點，也給其他所有動物的神經系統一個對照比較的物件。 或許在未來，當我們對櫛水母的神經系統了解更深入之後，有機會從新的視角看待睡眠現象，從而提出更新更有深度的解答來。

結語

透過本期文章，我們知曉睡眠行為經過了幾億年的演化，至今仍對地球上的動物至關重要。對日常行為深入了解，或許能幫助我們更好地生活。在學習了這麽多知識後，今天，就請放下手機，按時上床睡覺，讓自己的神經系統好好休息吧。

作者：朱欽士

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來源：科學大院

原標題： 失去意識還占用時間，睡眠的意義到底在哪 | 我們為什麽要睡覺（大結局）