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  1. nature](https://www.nature.com/articles/</>)
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  3. article

睡眠至关重要——研究人员试图找出其中原因的 Sleep 重要性

一个典型的人一生中会花费超过 20 年的时间处于梦幻般的半意识状态。但令人惊讶的是，关于我们为什么需要这段休息时间，我们知之甚少。 作者：

  1. Tammy Worth 1. Tammy Worth 是密苏里州堪萨斯城的一名自由医疗保健记者。 查看作者发表的文章 您也可以在 PubMed Google Scholar 中搜索这位作者

您可以通过您的机构完全访问本文。 The word 'Sleep', the letters in different colours, across a black background 果蝇肠道中的活性氧会根据分子的浓度发光。Credit: Alexandra Vaccaro and Yosef Kaplan Dor 当神经生物学家 Dragana Rogulja 于 2013 年在马萨诸塞州波士顿的哈佛医学院的实验室开始研究睡眠时，她并不知道她的实验会告诉她睡眠如何影响身体。她并没有像许多人那样假设睡眠主要是一种大脑功能。她只是开始她的实验室，并决定广泛撒网，提出这个问题：如果动物被剥夺睡眠，多久会死亡？当它们死亡时，具体原因是什么？

她预计需要数年时间才能回答这些问题。但在六个月内，Rogulja 的博士后助理 Alexandra Vaccaro 发现了一个诱人的线索。

“我们开始关注寿命，发现睡眠不足的动物开始死亡的时刻几乎总是相同的，”Rogulja 说。“当它们每晚失去大约 90% 的睡眠时，它们会在大约十天内开始死亡。”这些研究是在果蝇和小鼠身上进行的，但对包括人类在内的其他动物的意义是耐人寻味的。

普通成年人一生中超过 20 年的时间都在睡眠中度过，睡眠不足的后果显然是有害的。但令人惊讶的是，关于为什么需要睡眠，我们知之甚少。部分原因是，直到过去几十年，科学家们才开始使用工具来帮助他们理解睡眠的基本生物学功能。这些工具包括光遗传学，它涉及将激光导向特定神经元以唤醒一个人或使其进入深度睡眠；以及聚焦超声，它在过去五年中出现，作为一种观察睡眠期间发生的大脑深层神经振荡的方法。

借助这些工具，研究人员开始理解睡眠不仅仅是让大脑和身体从一天的辛劳中得到休息。当我们睡觉时，我们的基因、新陈代谢和激素会通过增加或减缓其活动来调节。

寻找体内平衡

大脑最重要的功能是什么？人们可能会倾向于说是具体的任务，例如交流、寻找食物或躲避捕食者。但是，如果大脑的细胞机制不能可靠地运作，那么这些角色都不可能实现。华盛顿大学圣路易斯分校的神经科学家 Keith Hengen 说，实际上，维持这种可靠性很可能就是睡眠的主要目的。

Nature Outlook: Sleep

“很久以前，这就像我的一个灵感，”Hengen 说。就机器学习而言，“如果你有一个深度学习网络，并且你继续让它学习，它会表现出灾难性的遗忘——车轮脱落，东西停止运转。它就是会失效。”

生物学通过重置到“临界点”来解决大脑超载的问题，这个过程主要发生在睡眠期间。白天，大脑被它必须做的许多事情所消耗，例如学习、协调运动和识别人脸。这些任务都会改变大脑中的连接，从而从根本上破坏为该学习设置的平台。Hengen 认为，睡眠可以让大脑重置。根据这个假设，通过一种被称为体内平衡的常见生物过程发生的恢复，是大脑能够最大限度地提高信息处理潜力的“设定点”1。

Hengen 将体内平衡比作家庭供暖系统的熟悉运作。当房间的温度降到设定点以下时，加热器就会打开，将环境恢复到所需的温暖程度。

同样，当大脑离其临界点越远时，人会感到越疲倦，需要入睡以重置。大脑离其临界点越近，人就越有可能保持清醒，因为他们将有充足的能力来做事和学习。

睡眠有几种机制可以帮助大脑在每天的刺激和信息冲击后进行重置。根据 2024 年的一项研究，海马体的某些部分在睡眠期间会保持沉默，为其神经元在第二天再次使用做好准备2。2017 年的一项研究3 发现，在小鼠的大脑中，睡眠会恢复神经元之间称为突触的连接的平衡，这些突触在白天生长并在睡眠期间收缩。

Rogulja 的团队证实，睡眠对于体内平衡确实很重要，但发生这种情况的器官不是大脑。

在确定了果蝇睡眠剥夺和死亡的十天时间表后，之前研究过睡眠剥夺和衰老的 Vaccaro 开始寻找这些昆虫的衰老标记。她和她的同事发现，当动物开始死亡时，果蝇肠道中活性氧 (ROS) 的浓度最高。少量的 ROS 是有益的——它们调节身体的免疫反应并帮助细胞防御病原体。但是，如果没有睡眠，这些分子会积累到有毒水平4。

“我们观察了全身的组织，”Vaccaro 说。“我们观察了大脑，什么也没看到。当果蝇开始死亡时，显示出最多损伤的组织是在肠道中。”

同样的事情也发生在小鼠身上。当动物被剥夺睡眠，然后被允许短时间睡眠时，在此期间，它们停止表达脂肪吸收基因。Rogulja 说，称为线粒体的细胞器会感知到这种营养缺乏，并向细胞酶发出信号，产生 ROS，以刺激肠道中更擅长吸收的细胞的增殖。在限制小鼠睡眠仅仅一天后，Rogulja 就可以看到动物肠道中的脂肪没有进入循环。五天后，它们的肠道充满了脂肪，尽管它们的身体缺乏营养。

在大鼠中，大多数基因似乎在动物清醒时被上调，在睡眠期间被下调。在睡眠剥夺期间被上调的基因负责能量代谢、激素受体和蛋白质合成等功能5。在 2023 年的一项研究中，巴西的研究人员发现，睡眠不足的果蝇主要表现出影响新陈代谢、葡萄糖、甘油三酯和激素多巴胺水平的基因的过度表达6。

这是在“洗脑”

几十年来，睡眠的主要目的被认为是维持大脑健康。根据这个理论，婴儿和青少年睡眠时间如此之长，是因为在这些阶段有太多的大脑发育正在进行。

然而，重要的不仅仅是我们获得的睡眠量。睡眠质量，特别是深度睡眠的量，可能会大大提高记忆巩固。研究人员已经找到了一种人工增加人类深度睡眠或慢波睡眠的方法——通过耳机向睡眠者传递柔和的“粉红噪声”脉冲形式的声学刺激。与包含声音频谱的相等部分的熟悉的白噪声不同，粉红噪声包含比高频声音更多的低频声音。

在一项小型研究7 中，一半的参与者接受了粉红噪声声学刺激，另一半则佩戴播放不同声音模式的耳机，作为对照。研究人员使用脑电图监测大脑活动，发现接受粉红噪声的参与者的慢波活动增加。重要的是，他们在第二天也提高了记忆力。

Two women sitting at a table surrounded by laboratory equipment. One woman is wearing an orange hat and looking down at the table, the other woman is wearing glasses, holding two fingers towards her face and looks towards a microscope Dragana Rogulja（左）和 Alexandra Vaccaro 表明，果蝇睡眠不足会导致肠道组织受损。Credit: Michael Crickmore “我们要求他们在白天记住单词对，然后他们睡觉，”伊利诺伊州芝加哥范伯格医学院的神经学家兼睡眠医学专家 Phyllis Zee 说。Zee 说，总体而言，接受粉红噪声刺激的人在记忆测试中的表现比听控制声音的人高出近 30%。

人们认为睡眠不仅有助于记忆生根，还可以清除大脑中多余的东西。纽约州罗切斯特大学的神经科学家 Maiken Nedergaard 对这种清除是如何发生的有一种理论。

2013 年，Nedergaard 和她的同事报告8 说，睡眠的一个好处可能是从大脑中去除神经毒素。大脑的类淋巴系统由 Nedergaard 描述为围绕形成细胞壁的大脑血管的“甜甜圈形隧道”组成。在这个隧道中，脑脊液与间质液一起流动，以去除蛋白质，包括淀粉样蛋白-β 和 tau 蛋白，这些蛋白质被认为在阿尔茨海默病中起作用。

“我们展示的是，每次心脏跳动时，动脉都会扩张并移动血管壁，并将液体放入大脑，”她说。“这是一个非常美丽的生物系统。”该论文报告说，当小鼠睡觉时，它们的间质空间增加了约 60%。这大大增加了脑脊液和间质液的交换量，以及淀粉样蛋白-β 的清除率。

这一发现促使 Nedergaard 和她的同事寻找这种液体清除的驱动因素。心脏是一种方式，但 Nedergaard 说，它更有可能解释液体的运动而不是清除。在 2 月份9，她和她的同事报告说，去甲肾上腺素会诱导血管收缩，是“自发性、节律性动脉收缩和扩张”清除的主要促进剂。大脑中去甲肾上腺素水平的规律性振荡发生在深度慢波睡眠期间。

“睡眠是我们的大脑不仅休息，而且完成所有家务的时期，”Nedergaard 说。“神经胶质细胞是当大脑安静时进来的清洁人员，并完成其他器官在我们清醒时所做的事情。这是一种大脑功能，可能与清醒不相容。”

Nedergaard 关于睡眠期间蛋白质清除的理论最近受到质疑，认为其解释不完整，尤其是因为它与睡眠和阿尔茨海默病之间的联系有关。对她的观点最突出的挑战来自伦敦帝国理工学院的生物物理学家 Nick Franks。在 2024 年 5 月，Franks 和他的同事使用一种荧光示踪剂表明，大脑清除实际上在睡眠期间减少10。

Two white and yellow tubular structures with tentacles at the bottom, hang from a green plant 即使是像 Hydra vulgaris 这样简单的生物也表现出对睡眠的需求。Credit: Kim Taylor/naturepl.com Nedergaard 为她对睡眠期间发生的事情的描述辩护。她认为，Franks“将大脑清除错误地定义为示踪剂从大脑内的一个位置到另一个位置的移动。相反，大脑清除的正确定义是示踪剂必须完全退出大脑。这类似于将垃圾从厨房搬到卧室，并称房子干净了。”

Franks 反驳了这种描述，并坚持认为他的结果直接与 Nedergaard 的结果相矛盾。“我们表明，与清醒时相比，注入大脑的示踪剂在睡眠期间以更高的浓度保留——换句话说，清除的更少，”他说，并补充说他的数据“无法与她关于睡眠期间清除的结论相调和”。

此外，Nedergaard 说，她关于清除的观点与一个关于人们为什么睡觉的公认理论相一致——突触体内平衡假说。这从本质上说，睡眠是动物为大脑可塑性付出的代价。在白天，大脑消耗能量，吸收噪音和其他刺激，并花费时间学习。在睡眠期间，大脑活动减少，细胞得到恢复。

对身体有益

将睡眠视为中枢神经系统的功能是很直观的。但这不可能是完全正确的，因为没有中枢神经系统的生物也表现出类似睡眠的行为。

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2020 年，研究人员发现，水螅是一种没有大脑的淡水水螅，在晚上也会进入一种无精打采的状态11。这些生物也表现出对睡眠体内平衡的需求，在睡眠不足后的第二天休息更长时间。

还有其他证据表明，睡眠的功能超越了中枢神经系统。例如，睡眠可以促进某些激素的释放。这个过程有多种生理效应，包括降低心血管疾病和某些癌症的风险。睡眠不足会减缓有益激素的产生，包括皮质醇和生长激素。激素褪黑素可以抑制乳腺癌细胞增殖、存活、扩散和产生耐药性的能力12。

Zee 和她的同事对慢波睡眠影响的研究发现，听粉红噪声的人早上皮质醇水平的峰值较低，副交感神经活动得到改善——心率减慢，血压降低。在睡眠期间，副交感神经活动可以使心血管系统得到急需的休息。“我们知道，如果你睡不好，你的心率和血压会升高，你患心血管疾病的风险会更大，”Zee 说。

尽管有无数的研究，但对于为什么生存需要睡眠，仍然没有共识。但是，缺乏这种基本物理过程的后果证实了继续寻求答案的重要性。

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00964-w 本文是 Nature Outlook: Sleep 的一部分，这是一份在 Avadel Pharmaceuticals 的资助下制作的补充材料。《Nature》在与内容相关的所有编辑决策中保持完全独立。关于此内容。

参考文献

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  2. Karaba, L. A. et al. Science 385 , 738–743 (2024). Article PubMed Google Scholar
  3. de Vivo, L. et al. Science 355 , 507–510 (2017). Article PubMed Google Scholar
  4. Vaccaro, A. et al. Cell 181 , 1307–1328 (2020). Article PubMed Google Scholar
  5. Tononi, G. & Cirelli, C. Neuropsychopharmacol. 25 , S28–S35 (2001). Article Google Scholar
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