大脑如何从清醒状态过渡到睡眠状态（以及如何再过渡回清醒状态）

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早上好，我是脑叔，一个爱聊脑的家伙。

枕头冰凉地贴着你的脸颊。楼上的邻居在天花板上发出吱吱嘎嘎的声音。你闭上眼睛；光影在眼前跳跃。一只猫嗅着一块奶酪。点点星光落入湖中。这一切都感觉很正常，很美好，尽管你没有养猫，而且你离湖边也远得很。

你开始了睡眠之旅，这种神秘的状态，你和大多数其他动物都需要以某种形式进入这种状态才能生存。睡眠以我们尚未完全了解的方式使大脑和身体焕然一新：修复组织、清除毒素、巩固记忆。但任何经历过失眠的人都可以证明，进入睡眠状态在生理上和心理上都不是一件容易的事。

麻省理工学院睡眠科学研究员亚当·霍洛维茨（Adam Horowitz）说，要入睡，“一切都必须改变”。流向大脑的血液减慢，脑脊液的循环加快。神经元释放神经递质，改变大脑的化学成分，它们的行为也开始发生变化，彼此之间的同步性增强。脑海中的画面时隐时现，思维开始扭曲。

“我们的大脑能够非常迅速地将我们从对周围环境的感知状态转变为无意识状态，甚至体验到并不存在的事物，”麻省理工学院的睡眠研究员劳拉·刘易斯（Laura Lewis）说道。“这引发了关于我们人类体验的诸多引人入胜的问题。”

大脑如何安全高效地在这些状态之间转换，至今仍是一个谜。但针对睡眠入睡和清醒状态转换的研究正在逐步揭示这些中间状态的神经生物学基础，从而有助于解释失眠或睡眠瘫痪等睡眠障碍是如何发生的。

刘易斯说，传统观点认为睡眠是一种非此即彼的现象。要么清醒，要么入睡。但最新研究表明，它“更像是一个连续谱，而非一个单一类别”。

驾驭脑电波

上世纪30年代，华尔街百万富翁、律师兼业余科学家阿尔弗雷德·李·卢米斯（Alfred Lee Loomis）喜欢在他位于纽约州北部的豪宅里，趁客人午睡时扫描他们的大脑。他率先使用一种名为脑电图仪的仪器来研究睡眠。每位午睡者都戴着一顶带有电极的帽子，可以无创地测量他们的大脑活动。这台仪器会用一支笔，以每秒1厘米的速度在纸上画出波峰波谷，从而生成脑电图（EEG）。

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

这些波代表了神经元的总体活动。当我们入睡时，神经元开始同步，这意味着它们同时放电，同时停止活动。（没有人确切知道这是为什么。）随着睡眠时间的延长，这种同步性会增强，产生频率更低、振幅更高的脑电波。在夜间睡眠过程中，脑电波会以周期性的方式加速和减速——整夜如此，夜复一夜。卢米斯将不同类型的脑电波归类为睡眠状态，并创建了一套术语来描述无意识的各个阶段。

脑电图（EEG）推动了睡眠研究的发展。测量脑电图记录的脑电波成为神经科学家无需进行侵入性手术即可推断人脑或睡眠状态的常用方法。它成为理解我们睡眠时神经元活动以及我们在经历不同睡眠意识状态时产生的主观体验（例如梦境）的首选方法。

20世纪50年代初，芝加哥大学的生理学家纳撒尼尔·克莱特曼和他的学生尤金·阿塞林斯基首次描述了以快速眼动睡眠（REM睡眠）为特征的睡眠阶段——大脑在夜间会多次重复这一周期，而我们往往会在这一周期做梦。在快速眼动睡眠（REM睡眠）中，脑电波比非快速眼动睡眠（NREM睡眠）时更快，更接近我们清醒时的脑电波模式。几年后，克莱特曼和同样在芝加哥大学任教的睡眠研究员威廉·德门特共同提出了一个改进的睡眠阶段划分方案：基于卢米斯最初的研究，将非快速眼动睡眠分为四个阶段，并划分出一个快速眼动睡眠阶段。如今，一个经过修改的版本（将最后两个非快速眼动睡眠阶段合并为一个阶段）仍在使用。

然而，这种划分方案通过人为地划定界限，掩盖了睡眠阶段之间微妙的变化。巴黎脑研究所的认知神经科学家托马斯·安德里隆指出，当时该领域普遍认为“你只有三种状态：要么清醒，要么处于非快速眼动睡眠，要么处于快速眼动睡眠”。

尽管有一些证据表明大脑可能处于一种睡眠和清醒混合的状态，但这种观点在很大程度上被忽视了。它被认为过于复杂多变，与大多数研究人员对睡眠的严格定义相悖。

但安德里隆说，渐渐地，新一代神经科学家开始质疑这种现状。他们意识到，“或许，事情的真正有趣之处就在于此。”

入睡

萨尔瓦多·达利或许会同意这种说法。

大约在卢米斯在他的豪宅里进行脑电图实验的同时，这位超现实主义艺术家也在探索自己进入睡眠状态的方式。正如他在1948年出版的《魔法工艺的50个秘密》一书中描述的那样，他会坐在“一张骨瘦如柴的扶手椅上，最好是西班牙风格的”，一只手掌松松地握着一把沉重的钥匙，钥匙放在地板上一个倒扣的盘子上方。随着他渐渐入睡，他的双手会放松下来——最终，钥匙会从指缝间滑落。钥匙突然撞击盘子的“咔哒”声会把他唤醒。

达利坚信，在这种状态下被唤醒能够唤醒他的精神，激发他的创造力，于是他便会坐下来开始作画。包括托马斯·爱迪生（在新标签页中打开）和埃德加·爱伦·坡在内的其他伟大人物，都和他一样对所谓的催眠状态——睡眠初期，我们在清醒状态下开始体验心理图像的阶段——抱有浓厚的兴趣并进行过相关实验。

2021年，巴黎脑研究所的一组研究人员，包括安德里隆在内，发现（在新标签页中打开）这些自我实验者的研究是正确的。从被称为N1的早期睡眠阶段醒来，似乎能让人进入一个“创造力最佳状态”。在催眠状态下停留约15秒后醒来的人，发现数学问题中隐藏规则的可能性几乎是其他人的三倍。几年后，麻省理工学院的霍洛维茨领导的另一项研究（在新标签页中打开）发现，通过引导人们的梦境内容，可以进一步提升从这种状态中醒来的人的创造力。

催眠状态为何似乎能提升创造力，目前尚不完全清楚。凯伦·康科利（Karen Konkoly）表示，一种可能性是，入睡的过程“需要我们放开对思维的控制”。她曾在西北大学担任博士后研究员，研究清醒梦，现在为睡眠初创公司Dust Systems（由霍洛维茨联合创立）提供咨询服务。“随着我们对思维的执行控制放松，我们或许可以访问更广泛的语义信息网络，这可能有助于创造力。”安德里隆也认同，睡眠过渡会产生一种“自由意识”状态，使大脑摆脱常规的思维模式。

就像城镇进入梦乡时，房屋的灯光逐渐熄灭一样，大脑也逐渐切换到夜间模式。睡眠始于大脑的中心：大脑深处的神经元，例如被称为下丘脑的古老控制中心中的神经元，会发出信号抑制唤醒回路。附近的脑区，例如将感官信息传递到大脑其他部分的丘脑，会率先关闭。几分钟后，负责更高层次意识思考的大脑皮层也开始关闭（在新标签页中打开）。它从大脑前部（负责计划和决策）到后部（负责分析视觉等感官信息）依次关闭。

在这个过渡阶段，由于大脑的某些部分关闭而其他部分保持清醒，我们有时会体验到类似梦境的想法。霍洛维茨说，在这种催眠状态下，许多人“一只脚踏在梦里，一只脚踏在现实世界”。有些人会听到声音；有些人会看到幻象。这些就像梦境，但更轻盈：它们是投射到现实世界框架上的景象，而现实世界仍然在我们掌控之中。

艺术家萨尔瓦多·达利（右）以其超现实主义绘画作品而闻名，例如他1952年的作品《球体中的伽拉忒亚》（左）。为了激发创作灵感，他曾尝试在催眠状态下（即将入睡的过渡阶段）唤醒自己。Studio Harcourt RMN/Public Domain; Archivart/Alamy

巴西里约热内卢联邦大学的神经科学家西达尔塔·里贝罗（在新标签页中打开）说：“我们可能会认为这些心理体验具有某种功能。但也许并非如此。也许它只是大脑活动的一种副产品。”

当你闭上双眼，感官逐渐减弱时，你不再能接收到太多来自外界的信息。但你的大脑内部仍然会发出信号，或许是白天经历的残余。里贝罗（Ribeiro）及其团队近期报告（在新标签页中打开）指出，人们白天的经历会在入睡初期以催眠状态的意象形式出现，这一发现与其他研究（在新标签页中打开）的结果相吻合。

一些研究人员正利用这种介于睡眠和清醒之间的状态来研究意识的本质。“如果你能追踪大脑在从这两个截然相反的世界过渡时的活动，就能深入了解意识是如何波动的，”巴黎脑研究所研究睡眠和意识的研究生尼古拉斯·德卡特（Nicolas Decat）（在新标签页中打开）说道。在尚未经过同行评审的初步研究中，德卡特使用脑电图（EEG）记录了100多名受试者入睡时的脑电波。他效仿达利和爱迪生的技巧，让参与者拿着瓶子，这样当他们昏昏欲睡时，瓶子就会掉下来发出声音，把他们唤醒。

通过比较参与者的脑电波和他们对自身所思所想的自我报告，迪卡特发现，一些梦境般的意象出现在他们理论上清醒的时候，而一些自主思考则发生在他们理论上睡眠的时候。例如，一位参与者报告说，即使脑电图记录的是清醒状态下快速而频繁的脑电波，她仍然感觉有蚂蚁在她背上爬行。另一位参与者则报告说，根据缓慢而不频繁的脑电波，她在理论上处于睡眠状态时，却有意识地思考自己是如何入睡的。

这些尚未发表的数据表明，睡眠状态可能并非对睡眠意识进行分类的最佳方式。“清醒或睡眠状态并不能完全决定你脑海中浮现的是什么，”迪卡特说。这些数据“挑战了人们普遍认为的‘清醒时你会想到某些事情，睡眠时你会做梦’的观点。事实并非总是如此。”

进入睡眠状态的过程可能持续数十分钟。这意味着研究人员很容易研究这个过程——远比研究醒来的过程容易得多，因为醒来的过程发生得更快，也更难以控制。预测一个人何时醒来要困难得多。

早安，阳光

瑞士洛桑大学的博士后研究员奥雷莉·斯蒂芬（Aurélie Stephan）在研究一种被称为“矛盾性失眠”的现象时，对醒来过程产生了兴趣。与整夜无法入睡的失眠患者不同，矛盾性失眠患者虽然脑电波显示他们处于睡眠状态，却感觉自己整夜未眠。“他们的睡眠时间和睡眠良好的人一样多……所以这很令人费解，”斯蒂芬说。

为了理解这个问题，她首先需要研究一个更典型的醒来过程。当一个睡眠良好的人醒来时，他们的大脑在做什么？

在最近的一项研究中（在新标签页中打开），她分析了超过1000种不同的觉醒或唤醒过程——即从睡眠到清醒的转变——时间尺度仅为几秒。她观察到，睡眠质量良好的人在从非快速眼动睡眠（NREM）中醒来时，脑电波数据中出现了一种奇特的慢波。基于以往的动物研究，斯蒂芬和她的团队推测，这种慢波源自大脑深处。

在这种慢波信号出现后，她观察到大脑皮层开始苏醒（脑电波速度加快），从负责执行功能的大脑前部逐渐向负责视觉和其他感官信息的大脑后部扩展。当人们从快速眼动睡眠（REM）中醒来时，他们的大脑皮层也以同样的方式苏醒，但没有出现之前的慢波。

斯蒂芬发现，这种独特的慢波的存在与人们醒来时的感受密切相关。出现这种慢波信号的参与者醒来时比没有出现这种信号的参与者感觉更清醒。斯蒂芬说，这表明（但并未证实）这可能是一种有助于唤醒过程的唤醒信号。

斯坦福大学研究动物睡眠转换的分子生物学家路易斯·德·莱塞亚（Luis de Lecea）表示：“他们出色地发现了这种睡眠-觉醒转换的特征信号。”他并未参与这项研究。路易斯说，他们描绘了一幅“详细的图景”，并解释了为什么“我们并非总是以相同的方式醒来”。

然而，脑电图读数较为粗略，无法探测大脑深层区域或提供丰富的细节。不过，此前使用功能磁共振成像（fMRI）和电极的研究揭示了一些可能产生此类唤醒信号的更深层机制。他们发现，唤醒的神经信号始于大脑深处，例如下丘脑和脑干。这些区域唤醒丘脑，丘脑再将指令传递至大脑皮层。

虽然醒来通常比入睡快，但也需要一些时间。斯蒂芬的睡眠脑电波特征从大脑皮层前部传到后部需要几秒钟。但她说，恢复意识和认知能力，并摆脱所有睡眠惯性，可能需要几分钟到一小时。这项研究和其他研究也表明，通常与睡眠相关的慢波有时也可能表明觉醒状态。两者之间的界限很模糊。

即使我们认为自己完全清醒，四处走动，我们大脑的某些部分也可能处于睡眠状态。这种被称为局部睡眠的现象，被认为是为了让大脑中过度劳累的神经元得到休息和恢复。这与海豚一次只用一个大脑半球睡觉，或者一些鸟类在飞行中睡觉的方式类似。有时，当我们非常疲惫时，即使我们仍然醒着，继续着一天的活动，一些神经元也需要休息和充电。

“这些人是清醒的。他们睁着眼睛。他们甚至可以做一些事情，”安德里隆说。然而，他们大脑的某些部分却在经历典型的慢波睡眠。鉴于此，局部睡眠挑战了“睡眠”的真正含义。

睡眠转换困难

当我们醒来、入睡，甚至在睡眠状态转换的过程中，不同类型的脑电波同时发生，不同区域的神经元同步和不同步，交织成一片节奏混乱的景象。这种复杂的脑电波组合会导致诸如入睡幻觉、清醒梦和睡眠障碍等体验。

“睡眠障碍非常普遍，”刘易斯说，“它们通常都与睡眠状态转换困难有关。”

这些障碍可能表现为失眠（难以入睡）、夜惊、睡眠瘫痪或梦游（无法按预期醒来）。在许多情况下，大脑的某些部分本应处于睡眠状态却处于清醒状态，反之亦然。

失眠的根本原因在于难以进入睡眠状态或维持睡眠。在睡眠瘫痪中，大脑皮层比控制身体的深层脑区更早醒来，导致意识完全清醒却无法动弹。在矛盾性失眠症中，斯蒂芬在她最新的研究中观察到的潜在唤醒信号很弱，“所以它不会完全唤醒患者，反而让他们感觉清醒，”她说。她的团队在梦游者身上也发现了同样的信号，但她说，在梦游者身上，这种信号出现在深度睡眠期间“不恰当的时间窗口”。他们还发现，梦游者的大脑活动（在新标签页中打开）与做梦时的大脑活动相似，这表明这两种状态都源于类似的睡眠意识机制。

迪卡特正在继续探索这种睡眠意识究竟是什么样的。他正在进行一项调查（在新标签页中打开），以了解更多关于人们入睡时的心理体验。这些想法和心理图像很难记住，因为要记住它们，我们必须醒来。

有时，我们会在即将入睡时醒来，或者从睡眠周期的深处醒来——这些时候我们本不应该醒来。也许是同床的伴侣翻身吵醒了我们。也许是钥匙在坚硬的地板上发出的叮当声。或许是大脑本身出了问题，它错误地判断了何时应该唤醒某些区域。

你的睡眠意识被打断了。你从睡梦的边缘猛然惊醒，眨了眨眼，睁开了眼睛。

About the author：Yasemin Saplakoglu

脑叔创建了一个名为“丘脑大叔·大脑管家”的知识星球，我把它定位为一本不断更新的大脑进化训练指南，旨在分享大脑认知行为和健康知识、陪伴并帮助脑友们解答大脑认知、情绪健康问题，提升大脑认知，帮助大脑进化，寻找幸福的人生！

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