大腦如何從清醒狀態過渡到睡眠狀態（以及如何再過渡回清醒狀態）

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早上好，我是腦叔，一個愛聊腦的家伙。

枕頭冰涼地貼著你的臉頰。樓上的鄰居在天花板上發出吱吱嘎嘎的聲音。你閉上眼睛；光影在眼前跳躍。一只貓嗅著一塊奶酪。點點星光落入湖中。這一切都感覺很正常，很美好，盡管你沒有養貓，而且你離湖邊也遠得很。

你開始了睡眠之旅，這種神秘的狀態，你和大多數其他動物都需要以某種形式進入這種狀態才能生存。睡眠以我們尚未完全了解的方式使大腦和身體煥然一新：修復組織、清除毒素、鞏固記憶。但任何經歷過失眠的人都可以證明，進入睡眠狀態在生理上和心理上都不是一件容易的事。

麻省理工學院睡眠科學研究員亞當·霍洛維茨（Adam Horowitz）說，要入睡，“一切都必須改變”。流向大腦的血液減慢，腦脊液的循環加快。神經元釋放神經遞質，改變大腦的化學成分，它們的行為也開始發生變化，彼此之間的同步性增強。腦海中的畫面時隱時現，思維開始扭曲。

“我們的大腦能夠非常迅速地將我們從對周圍環境的感知狀態轉變為無意識狀態，甚至體驗到并不存在的事物，”麻省理工學院的睡眠研究員勞拉·劉易斯（Laura Lewis）說道。“這引發了關于我們人類體驗的諸多引人入勝的問題。”

大腦如何安全高效地在這些狀態之間轉換，至今仍是一個謎。但針對睡眠入睡和清醒狀態轉換的研究正在逐步揭示這些中間狀態的神經生物學基礎，從而有助于解釋失眠或睡眠癱瘓等睡眠障礙是如何發生的。

劉易斯說，傳統觀點認為睡眠是一種非此即彼的現象。要么清醒，要么入睡。但最新研究表明，它“更像是一個連續譜，而非一個單一類別”。

駕馭腦電波

上世紀30年代，華爾街百萬富翁、律師兼業余科學家阿爾弗雷德·李·盧米斯（Alfred Lee Loomis）喜歡在他位于紐約州北部的豪宅里，趁客人午睡時掃描他們的大腦。他率先使用一種名為腦電圖儀的儀器來研究睡眠。每位午睡者都戴著一頂帶有電極的帽子，可以無創地測量他們的大腦活動。這臺儀器會用一支筆，以每秒1厘米的速度在紙上畫出波峰波谷，從而生成腦電圖（EEG）。

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

這些波代表了神經元的總體活動。當我們入睡時，神經元開始同步，這意味著它們同時放電，同時停止活動。（沒有人確切知道這是為什么。）隨著睡眠時間的延長，這種同步性會增強，產生頻率更低、振幅更高的腦電波。在夜間睡眠過程中，腦電波會以周期性的方式加速和減速——整夜如此，夜復一夜。盧米斯將不同類型的腦電波歸類為睡眠狀態，并創建了一套術語來描述無意識的各個階段。

腦電圖（EEG）推動了睡眠研究的發展。測量腦電圖記錄的腦電波成為神經科學家無需進行侵入性手術即可推斷人腦或睡眠狀態的常用方法。它成為理解我們睡眠時神經元活動以及我們在經歷不同睡眠意識狀態時產生的主觀體驗（例如夢境）的首選方法。

20世紀50年代初，芝加哥大學的生理學家納撒尼爾·克萊特曼和他的學生尤金·阿塞林斯基首次描述了以快速眼動睡眠（REM睡眠）為特征的睡眠階段——大腦在夜間會多次重復這一周期，而我們往往會在這一周期做夢。在快速眼動睡眠（REM睡眠）中，腦電波比非快速眼動睡眠（NREM睡眠）時更快，更接近我們清醒時的腦電波模式。幾年后，克萊特曼和同樣在芝加哥大學任教的睡眠研究員威廉·德門特共同提出了一個改進的睡眠階段劃分方案：基于盧米斯最初的研究，將非快速眼動睡眠分為四個階段，并劃分出一個快速眼動睡眠階段。如今，一個經過修改的版本（將最后兩個非快速眼動睡眠階段合并為一個階段）仍在使用。

然而，這種劃分方案通過人為地劃定界限，掩蓋了睡眠階段之間微妙的變化。巴黎腦研究所的認知神經科學家托馬斯·安德里隆指出，當時該領域普遍認為“你只有三種狀態：要么清醒，要么處于非快速眼動睡眠，要么處于快速眼動睡眠”。

盡管有一些證據表明大腦可能處于一種睡眠和清醒混合的狀態，但這種觀點在很大程度上被忽視了。它被認為過于復雜多變，與大多數研究人員對睡眠的嚴格定義相悖。

但安德里隆說，漸漸地，新一代神經科學家開始質疑這種現狀。他們意識到，“或許，事情的真正有趣之處就在于此。”

入睡

薩爾瓦多·達利或許會同意這種說法。

大約在盧米斯在他的豪宅里進行腦電圖實驗的同時，這位超現實主義藝術家也在探索自己進入睡眠狀態的方式。正如他在1948年出版的《魔法工藝的50個秘密》一書中描述的那樣，他會坐在“一張骨瘦如柴的扶手椅上，最好是西班牙風格的”，一只手掌松松地握著一把沉重的鑰匙，鑰匙放在地板上一個倒扣的盤子上方。隨著他漸漸入睡，他的雙手會放松下來——最終，鑰匙會從指縫間滑落。鑰匙突然撞擊盤子的“咔噠”聲會把他喚醒。

達利堅信，在這種狀態下被喚醒能夠喚醒他的精神，激發他的創造力，于是他便會坐下來開始作畫。包括托馬斯·愛迪生（在新標簽頁中打開）和埃德加·愛倫·坡在內的其他偉大人物，都和他一樣對所謂的催眠狀態——睡眠初期，我們在清醒狀態下開始體驗心理圖像的階段——抱有濃厚的興趣并進行過相關實驗。

2021年，巴黎腦研究所的一組研究人員，包括安德里隆在內，發現（在新標簽頁中打開）這些自我實驗者的研究是正確的。從被稱為N1的早期睡眠階段醒來，似乎能讓人進入一個“創造力最佳狀態”。在催眠狀態下停留約15秒后醒來的人，發現數學問題中隱藏規則的可能性幾乎是其他人的三倍。幾年后，麻省理工學院的霍洛維茨領導的另一項研究（在新標簽頁中打開）發現，通過引導人們的夢境內容，可以進一步提升從這種狀態中醒來的人的創造力。

催眠狀態為何似乎能提升創造力，目前尚不完全清楚。凱倫·康科利（Karen Konkoly）表示，一種可能性是，入睡的過程“需要我們放開對思維的控制”。她曾在西北大學擔任博士后研究員，研究清醒夢，現在為睡眠初創公司Dust Systems（由霍洛維茨聯合創立）提供咨詢服務。“隨著我們對思維的執行控制放松，我們或許可以訪問更廣泛的語義信息網絡，這可能有助于創造力。”安德里隆也認同，睡眠過渡會產生一種“自由意識”狀態，使大腦擺脫常規的思維模式。

就像城鎮進入夢鄉時，房屋的燈光逐漸熄滅一樣，大腦也逐漸切換到夜間模式。睡眠始于大腦的中心：大腦深處的神經元，例如被稱為下丘腦的古老控制中心中的神經元，會發出信號抑制喚醒回路。附近的腦區，例如將感官信息傳遞到大腦其他部分的丘腦，會率先關閉。幾分鐘后，負責更高層次意識思考的大腦皮層也開始關閉（在新標簽頁中打開）。它從大腦前部（負責計劃和決策）到后部（負責分析視覺等感官信息）依次關閉。

在這個過渡階段，由于大腦的某些部分關閉而其他部分保持清醒，我們有時會體驗到類似夢境的想法。霍洛維茨說，在這種催眠狀態下，許多人“一只腳踏在夢里，一只腳踏在現實世界”。有些人會聽到聲音；有些人會看到幻象。這些就像夢境，但更輕盈：它們是投射到現實世界框架上的景象，而現實世界仍然在我們掌控之中。

藝術家薩爾瓦多·達利（右）以其超現實主義繪畫作品而聞名，例如他1952年的作品《球體中的伽拉忒亞》（左）。為了激發創作靈感，他曾嘗試在催眠狀態下（即將入睡的過渡階段）喚醒自己。Studio Harcourt RMN/Public Domain; Archivart/Alamy

巴西里約熱內盧聯邦大學的神經科學家西達爾塔·里貝羅（在新標簽頁中打開）說：“我們可能會認為這些心理體驗具有某種功能。但也許并非如此。也許它只是大腦活動的一種副產品。”

當你閉上雙眼，感官逐漸減弱時，你不再能接收到太多來自外界的信息。但你的大腦內部仍然會發出信號，或許是白天經歷的殘余。里貝羅（Ribeiro）及其團隊近期報告（在新標簽頁中打開）指出，人們白天的經歷會在入睡初期以催眠狀態的意象形式出現，這一發現與其他研究（在新標簽頁中打開）的結果相吻合。

一些研究人員正利用這種介于睡眠和清醒之間的狀態來研究意識的本質。“如果你能追蹤大腦在從這兩個截然相反的世界過渡時的活動，就能深入了解意識是如何波動的，”巴黎腦研究所研究睡眠和意識的研究生尼古拉斯·德卡特（Nicolas Decat）（在新標簽頁中打開）說道。在尚未經過同行評審的初步研究中，德卡特使用腦電圖（EEG）記錄了100多名受試者入睡時的腦電波。他效仿達利和愛迪生的技巧，讓參與者拿著瓶子，這樣當他們昏昏欲睡時，瓶子就會掉下來發出聲音，把他們喚醒。

通過比較參與者的腦電波和他們對自身所思所想的自我報告，迪卡特發現，一些夢境般的意象出現在他們理論上清醒的時候，而一些自主思考則發生在他們理論上睡眠的時候。例如，一位參與者報告說，即使腦電圖記錄的是清醒狀態下快速而頻繁的腦電波，她仍然感覺有螞蟻在她背上爬行。另一位參與者則報告說，根據緩慢而不頻繁的腦電波，她在理論上處于睡眠狀態時，卻有意識地思考自己是如何入睡的。

這些尚未發表的數據表明，睡眠狀態可能并非對睡眠意識進行分類的最佳方式。“清醒或睡眠狀態并不能完全決定你腦海中浮現的是什么，”迪卡特說。這些數據“挑戰了人們普遍認為的‘清醒時你會想到某些事情，睡眠時你會做夢’的觀點。事實并非總是如此。”

進入睡眠狀態的過程可能持續數十分鐘。這意味著研究人員很容易研究這個過程——遠比研究醒來的過程容易得多，因為醒來的過程發生得更快，也更難以控制。預測一個人何時醒來要困難得多。

早安，陽光

瑞士洛桑大學的博士后研究員奧雷莉·斯蒂芬（Aurélie Stephan）在研究一種被稱為“矛盾性失眠”的現象時，對醒來過程產生了興趣。與整夜無法入睡的失眠患者不同，矛盾性失眠患者雖然腦電波顯示他們處于睡眠狀態，卻感覺自己整夜未眠。“他們的睡眠時間和睡眠良好的人一樣多……所以這很令人費解，”斯蒂芬說。

為了理解這個問題，她首先需要研究一個更典型的醒來過程。當一個睡眠良好的人醒來時，他們的大腦在做什么？

在最近的一項研究中（在新標簽頁中打開），她分析了超過1000種不同的覺醒或喚醒過程——即從睡眠到清醒的轉變——時間尺度僅為幾秒。她觀察到，睡眠質量良好的人在從非快速眼動睡眠（NREM）中醒來時，腦電波數據中出現了一種奇特的慢波。基于以往的動物研究，斯蒂芬和她的團隊推測，這種慢波源自大腦深處。

在這種慢波信號出現后，她觀察到大腦皮層開始蘇醒（腦電波速度加快），從負責執行功能的大腦前部逐漸向負責視覺和其他感官信息的大腦后部擴展。當人們從快速眼動睡眠（REM）中醒來時，他們的大腦皮層也以同樣的方式蘇醒，但沒有出現之前的慢波。

斯蒂芬發現，這種獨特的慢波的存在與人們醒來時的感受密切相關。出現這種慢波信號的參與者醒來時比沒有出現這種信號的參與者感覺更清醒。斯蒂芬說，這表明（但并未證實）這可能是一種有助于喚醒過程的喚醒信號。

斯坦福大學研究動物睡眠轉換的分子生物學家路易斯·德·萊塞亞（Luis de Lecea）表示：“他們出色地發現了這種睡眠-覺醒轉換的特征信號。”他并未參與這項研究。路易斯說，他們描繪了一幅“詳細的圖景”，并解釋了為什么“我們并非總是以相同的方式醒來”。

然而，腦電圖讀數較為粗略，無法探測大腦深層區域或提供豐富的細節。不過，此前使用功能磁共振成像（fMRI）和電極的研究揭示了一些可能產生此類喚醒信號的更深層機制。他們發現，喚醒的神經信號始于大腦深處，例如下丘腦和腦干。這些區域喚醒丘腦，丘腦再將指令傳遞至大腦皮層。

雖然醒來通常比入睡快，但也需要一些時間。斯蒂芬的睡眠腦電波特征從大腦皮層前部傳到后部需要幾秒鐘。但她說，恢復意識和認知能力，并擺脫所有睡眠慣性，可能需要幾分鐘到一小時。這項研究和其他研究也表明，通常與睡眠相關的慢波有時也可能表明覺醒狀態。兩者之間的界限很模糊。

即使我們認為自己完全清醒，四處走動，我們大腦的某些部分也可能處于睡眠狀態。這種被稱為局部睡眠的現象，被認為是為了讓大腦中過度勞累的神經元得到休息和恢復。這與海豚一次只用一個大腦半球睡覺，或者一些鳥類在飛行中睡覺的方式類似。有時，當我們非常疲憊時，即使我們仍然醒著，繼續著一天的活動，一些神經元也需要休息和充電。

“這些人是清醒的。他們睜著眼睛。他們甚至可以做一些事情，”安德里隆說。然而，他們大腦的某些部分卻在經歷典型的慢波睡眠。鑒于此，局部睡眠挑戰了“睡眠”的真正含義。

睡眠轉換困難

當我們醒來、入睡，甚至在睡眠狀態轉換的過程中，不同類型的腦電波同時發生，不同區域的神經元同步和不同步，交織成一片節奏混亂的景象。這種復雜的腦電波組合會導致諸如入睡幻覺、清醒夢和睡眠障礙等體驗。

“睡眠障礙非常普遍，”劉易斯說，“它們通常都與睡眠狀態轉換困難有關。”

這些障礙可能表現為失眠（難以入睡）、夜驚、睡眠癱瘓或夢游（無法按預期醒來）。在許多情況下，大腦的某些部分本應處于睡眠狀態卻處于清醒狀態，反之亦然。

失眠的根本原因在于難以進入睡眠狀態或維持睡眠。在睡眠癱瘓中，大腦皮層比控制身體的深層腦區更早醒來，導致意識完全清醒卻無法動彈。在矛盾性失眠癥中，斯蒂芬在她最新的研究中觀察到的潛在喚醒信號很弱，“所以它不會完全喚醒患者，反而讓他們感覺清醒，”她說。她的團隊在夢游者身上也發現了同樣的信號，但她說，在夢游者身上，這種信號出現在深度睡眠期間“不恰當的時間窗口”。他們還發現，夢游者的大腦活動（在新標簽頁中打開）與做夢時的大腦活動相似，這表明這兩種狀態都源于類似的睡眠意識機制。

迪卡特正在繼續探索這種睡眠意識究竟是什么樣的。他正在進行一項調查（在新標簽頁中打開），以了解更多關于人們入睡時的心理體驗。這些想法和心理圖像很難記住，因為要記住它們，我們必須醒來。

有時，我們會在即將入睡時醒來，或者從睡眠周期的深處醒來——這些時候我們本不應該醒來。也許是同床的伴侶翻身吵醒了我們。也許是鑰匙在堅硬的地板上發出的叮當聲。或許是大腦本身出了問題，它錯誤地判斷了何時應該喚醒某些區域。

你的睡眠意識被打斷了。你從睡夢的邊緣猛然驚醒，眨了眨眼，睜開了眼睛。

About the author：Yasemin Saplakoglu

腦叔創建了一個名為“丘腦大叔·大腦管家”的知識星球，我把它定位為一本不斷更新的大腦進化訓練指南，旨在分享大腦認知行為和健康知識、陪伴并幫助腦友們解答大腦認知、情緒健康問題，提升大腦認知，幫助大腦進化，尋找幸福的人生！

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