「睡眠恆定」听起来很专业,其实说白了就是「睡眠债」
2020-06-11

甚幺是睡眠?想不到也真是个大哉问,不同时代有着不同的看法。

在古希腊时代有人认为睡眠是人在白天活动时,体内产生的代谢产物所引发的中毒现象。15、16世纪时又有人提出睡眠是血液冲到脑部,对大脑造成压力,引发大脑暂时关闭的状态。20世纪时有了脑波图仪(EEG)后,科学家才认识到睡眠时的大脑,并不是百年来人们所猜想的那样:睡眠是一种主动过程,由大脑中专责睡眠(sleep center)及觉醒(arousal center)的中枢管理。

睡眠(sleep)和休息(rest)似乎是容易相互混淆的两种行为。我们灵长类的睡眠比较巩固,不太会混淆;但像齧齿类老鼠等动物,他们的睡眠断断续续的,就不太好釐清他们是在休息还是在睡觉。透过外显行为(phenomenology; what they look like)、控制机转(mechanism; how they are controlled)等等方式,睡眠大致来说可以有以下几个特质:

    与休息不同,睡眠发生时,比较不容易醒(an elevated arousal threshold)但又与麻醉、冬眠、和死亡不同,可以透过外力快速回复清醒(rapid reversibility)很多物种甚至有特定的行为模式:他们会準备好他们要睡觉的巢/床,然后有固定的睡眠姿势(preparatory behavior and a characteristic posture)

神经科学家们透过测量大脑放出的微弱生物电(EEG),又把睡觉再细分成「快速动眼期」(Rapid eye movement (REM) sleep)和「非快速动眼期」(Nonrapid eye movement (NREM) sleep)。

睡眠债

睡觉受到日约节律/生理时钟(circadian rhythm)和睡眠恆定(sleep homeostasis)两个系统的共同调控。关于生理时钟的简介,可以参考之前投稿在关键评论的文章,这里就不赘述了。

当睡眠债债台高筑时,一种内在想睡觉的驱动力(睡眠压力)也让人觉得越来越势不可挡。而这股想睡觉的慾望,可不只是单纯的感觉而已。

腺苷(adenosine)是细胞使用能量后代谢的产物。细胞使用的能量是ATP,被过用的ATP会变成能量较低的ADP,然后是能量更低的AMP,最后变成能量最低的腺苷(adenosine)。  

随着清醒时间越久,腺苷在一些脑区(包括睡眠中心)累积的浓度就会越高。原本抑制睡眠中心的神经元(GABAergic inputs)上有接受讯息的接收器,这些睡眠债就会关闭这些神经元,而睡眠中心也就从原本的抑制状态被解放而活化(disinhibition)。所以睡眠压力不只是单纯的感觉而已,而是真的有能量代谢后的产物累积。

咖啡因的化学结构和睡眠债非常接近,但却是冒牌货,会跟正牌的睡眠债抢接收器,所以睡眠债就没法顺利地与抑制睡眠中心的开关结合,因此能有「暂时」抑制睡眠慾望的效果。但别忘了,睡眠债还是累积在大脑里,而且因为喝了咖啡而没去睡觉,这个债台就筑更高了。一旦咖啡因被身体代谢掉,睡眠债就会立刻反扑,所以喝咖啡是个治标不治本的方法。对于过劳(睡眠债筑太高)的人,咖啡的效果也是打折扣(需要更高的浓度或是更频繁的补充)。

「睡眠恆定」听起来很专业,其实说白了就是「睡眠债」
疲倦时就来杯咖啡提神?咖啡因的化学结构和睡眠债非常接近,但却是冒牌货。
睡眠债高倒头就睡

生理时钟和睡眠恆定系统会彼此沟通影响,但一般来说(实验室的标準环境/平常作息规律的人),生理时钟会决定想睡的时间和接下来清醒的时间:如果睡觉的时间晚于平时习惯就寝的时间,在隔日差不多的时间睡眠还是会被这个内在的时钟中断而醒过来(因赖床然后又睡着了不算)。

换个角度来说,之前清醒时间的长久(睡眠债的高低)并不会影响之后睡醒的时间(前提是,个体在延长的清醒时间中,不能受到光或是食物等外在刺激影响生理时钟系统)。

如果生理时钟主要是掌管(gating)睡觉和清醒的时间,那睡眠恆定的主要影响是甚幺?

睡眠债会让我们更快进入睡眠,以及在补眠过程中比较不易被叫醒。每个熬夜K书的学生都有体验过这样的经验:一整个晚上都没睡,隔天早上其实精神很OK,甚至有点亢奋。但考完试后到了下午,想睡的感觉是排山倒海(高睡眠债),立刻想去补眠。当然隔日的症状就会像是坐飞机的时差一样很不舒服(因为生理时钟被打乱了),而且年纪越大越惨。这时候的补眠通常都是补NREM,所以这种补眠不会作梦,你的大脑会真的好好的休息。

虽然这两大系统是强而有力的系统,但生物行为都有它的弹性,而且我们的作息环境也没有这幺单纯:进食时间(宵夜,feeding stimuli)、闹钟、老妈催你去睡(social cues)和睡前滑手机的萤幕蓝光(light stimuli)等外在因子,都会影响我们的作息,而这些外力也都被证实会把我们的生理时钟往前调或往后调,进而影响入睡的时间、睡眠的品质与隔日清醒的时间。而因为上学或上下班,你可能还没睡饱就被迫起床(社交时差),所以睡眠债也就还不清了(关于社交时差的简介,可以参考之前投稿关键评论的文章)。

大脑中有个控制睡眠/清醒的开关

现在普遍接受的理论是,睡眠中心和清醒中心就像是电灯开关一样,开关往一边拨是睡眠,而往另一边拨是清醒(The-Flip-Flop Switch)。

疾病是我们医学领域想打败的对手,但同时也是推动我们进步的来源:前端下视丘受损(anterior hypothalamic damage)的病人通常伴有失眠(insomnia)的症状;而后段下视丘受损(posterior hypothalamic damage)的病人则受嗜睡(hypersomnia)所扰。进一步的实验因此提出了一些脑区做为可能的大脑睡眠中心及觉醒中心。

注释:目前被普遍承认的「睡眠中心」与「觉醒中心」,

    睡眠中心: 神经传导物质主要是抑制型的GABA,脑区包括了ventrolateral preoptic area(VLPO)、median preoptic nucleus(MnPN)和basal forebrain(McGinty and Szymusiak, 2003, 2011; Jones, 2004)觉醒中心:神经传导物质主要包含了orexin、acetylcholine或monoamines(histamine, serotonin, norepinephrine, dopamine),脑区包括了basal forebrain、perifornical和lateral hypothalamus、tuberomammilary nuclei(TMN)、midbrain和pontine reticular formation(McGinty and Szymusiak, 2003, 2011; Brown et al., 2012)

有了这些脑区,就可以追蹤他们的神经分布。科学家发现睡眠中心的触手深入觉醒中心,而觉醒中心也将脚踩在睡眠中心上:透过抑制的机制,睡觉时,睡眠中心会抑制觉醒中心;清醒时,睡眠中心则是被觉醒中心抑制着。

这样的开关机制(当开关转向一边时,这一边的中心会抑制另一边的中心)让睡眠-清醒状态之间的转换时间变很短,确保我们不必花上半天迷迷糊糊地从睡觉转为清醒,然后又花上另外半天的时间,慢慢走进梦乡,浪费可以睡眠的时间。但缺点也是显而易见:当某一边因为外在因子或是疾病,而在不对的时间有优势时,另一边的中心是很难扳回一城的。

开车想睡觉的挣扎就是这样,你需要你的注意力来安全驾驶,但是瞌睡虫就是不放过你,最后你可能会不时放空(微睡眠,micro-sleep),直到你被惊吓(比如说开歪了或是被按喇叭,但通常还是撑不久),或是到休息站下车动动好好休息了一下才转好。所以这个开关机制有它的演化上的优势(减短状态之间转换时间),但在现在的文明里,却可能造成致命的危险(开车时停不下的打瞌睡)。

结语

即使我们知道被打乱的生理时钟和债台高筑的睡眠债会让我们很不舒服,长久下来更是一种慢性压力,让我们发胖、对心血管有害、影响工作表现等等,却仍有太多的外在因素,让我们没法在对的时间好好睡上一觉。

拜文明与社会结构所赐,睡眠对于一些族群(熬夜準备考试或是值夜班)可能是无可奈何的牺牲品,对于另一些族群(熬夜打电动等等)可能是挥霍的本钱,对疾病缠身的族群而言,则是不可求的奢侈品。不适当的睡眠行为不仅打乱了生理时钟,也让睡眠债没办法还清。

了解睡眠背后的生物原因,可以帮助我们自己矫正行为,或是不被网路谣言蛊惑:比如说,在睡眠充足的条件下,固定时间睡比睡得早更重要;所以对成年人而言,偶尔早点睡并没有真的比固定12点睡来得健康。比如说,补眠还睡眠债,但如果忘了生理时钟扮演的角色,那补完眠还是会不舒服,对健康也有影响。比如说,开车打瞌睡时,最好的方法真的是停下来休息,捏大腿或硬撑都不是安全的权宜之计。

    参考文章

    Hypothalamic regulation of sleep and circadian rhythms, Nature 437, 1257-1263 (27 October 2005) | doi:10.1038/nature04284Sleep and circadian rhythms: do sleep centers talk back to the clock? Nature Neuroscience 6, 1005 - 1006 (2003) doi:10.1038/nn1003-1005