清醒與夢境之間，大腦經歷了什么？

枕頭冰涼貼著你的臉頰。樓上的鄰居在天花板上吱呀作響。你閉上眼睛，光影在視野中跳躍。一只貓在嗅一塊奶酪。點點斑斑掉進湖中。所有這一切都感覺非常正常自然，盡管你根本沒有養貓，身邊也沒有湖泊。

你已經開始進入睡眠的旅程——這種神秘的狀態，是你和大多數動物生存所必需的某種形式。睡眠會以我們尚未完全理解的方式為大腦和身體“重啟”：修復組織、清除毒素、鞏固記憶。但任何經歷過失眠的人都知道，進入睡眠狀態在生理和心理上都不是一件簡單的事。

“要入睡，幾乎一切都得改變，”麻省理工學院睡眠科學研究員亞當·霍洛維茨（Adam Horowitz）說。流向大腦的血液會減緩，而腦脊液的循環則加快。神經元會釋放神經遞質，改變大腦的化學狀態，它們的活動方式也會發生變化，開始更同步地放電。腦中浮現出各種畫面，思維開始扭曲變形。

“我們的腦子能夠非常迅速地把我們從對環境的意識狀態，轉變為無意識狀態，甚至是體驗一些并不存在的東西，”麻省理工學院的睡眠研究員勞拉·劉易斯（Laura Lewis）說。“這引發了關于人類體驗的一些極其迷人的問題。”

目前我們仍然對大腦是如何安全高效地在這些狀態之間轉換知之甚少。但針對入睡和醒來兩個過程的研究，正在逐步揭示這些“過渡狀態”（in-between states）的神經生物學基礎，有助于我們理解當這種轉換出錯時，比如失眠或睡眠癱瘓，是如何發生的。

傳統上，睡眠一直被認為是一種非黑即白的現象，劉易斯說。你要么醒著，要么睡著。但最新的研究顯示，睡眠“更像是一個連續譜，而不是一個單一的類別”。

乘著腦電波的節奏

早在1930年代，華爾街大亨、律師兼業余科學家阿爾弗雷德·李·盧米斯（Alfred Lee Loomis）喜歡在位于紐約上州的大宅中，為打盹的賓客掃描大腦。他開創性地使用一種稱為腦電圖儀的設備來研究睡眠。每位小憩者都戴著一個裝有電極的帽子，這些電極可以無創地測量他們的大腦活動。機器會用一支筆在以每秒1厘米速度滾動的紙上畫出有高低起伏的波形，從而生成腦電圖（EEG）。

這些波形代表的是神經元的整體活動。當我們入睡時，神經元開始同步工作，也就是說它們會同時發放信號、同時沉默（沒人確切知道為什么會這樣）。隨著人進入更深的睡眠，這種同步性會增強，產生頻率更低、振幅更高的腦波。在一整晚的睡眠過程中，這些腦波會以周期性方式時快時慢——每晚如此，周而復始。盧米斯將不同類型的腦波分類，建立了后來被稱為“睡眠狀態”（sleep states）的系統，并創造出描述無意識階段的術語體系。

腦電圖技術催生了現代睡眠研究。記錄并測量腦電圖中的波形，成為神經科學家無需動刀就能推斷一個人腦部狀態或睡眠階段的常規手段。這項技術成為理解神經元在睡眠中活動的核心方法，也幫助科學家研究睡眠意識的各種主觀體驗，例如做夢。

1950年代初，芝加哥大學的生理學家納撒尼爾·克萊特曼（Nathaniel Kleitman）和他的學生尤金·阿瑟林斯基（Eugene Aserinsky）首次描述了“快速眼動睡眠”（REM sleep）階段——這是大腦在一夜之間反復經歷的一個周期，我們通常會在這個階段做夢。REM睡眠中的腦波比非REM睡眠（non-REM sleep）更快，看起來更像清醒時的腦波。幾年后，克萊特曼與同在芝加哥大學的睡眠研究者威廉·迪門特（William Dement）完善了睡眠階段的分類系統：基于盧米斯原始研究，將非REM階段劃分為四個階段，再加上一個REM階段。如今的通用分類系統是對其改進版，將最后兩個非REM階段合并為一個階段。

然而，這種明確的階段劃分掩蓋了它們之間的微妙過渡。“這個領域的標準模型是，你只有三個選項：要么清醒，要么在非REM睡眠中，要么在REM睡眠中，”巴黎腦研究所（Paris Brain Institute）的認知神經科學家托馬斯·安德里永（Thomas Andrillon）說。

雖然早期就有證據表明，大腦可能會處于一種“睡與醒混合”的狀態，但這種觀點長期被忽視。它被認為過于復雜、變化太大，不符合大多數研究者對睡眠所持的嚴謹定義。

但安德里永說，越來越多的新一代神經科學家開始質疑這一“現狀”。他們意識到：“也許真正有趣的事情，恰恰就發生在這些模糊地帶。”

慢慢入睡

薩爾瓦多·達利（Salvador Dalí）或許會對此表示贊同。

就在盧米斯在他的大宅中進行腦電圖實驗的同時，這位超現實主義藝術家也在親自嘗試探索入睡的過渡過程。正如他在1948年出版的《手藝出神入化的50個秘密》（50 Secrets of Magic Craftsmanship）中描述的那樣，他會坐在一張“骨感的扶手椅上，最好是西班牙風格”，一只手掌心輕輕托著一把沉重的鑰匙，下面放著一個倒扣的盤子。當他開始打盹時，手會逐漸松弛，鑰匙最終從指縫中掉下。鑰匙碰到盤子的清脆響聲會把他驚醒。

達利相信，在這個階段被驚醒能喚醒他的“心靈能量”，提升創作靈感。于是他會立即開始繪畫。其他杰出人物，如托馬斯·愛迪生和埃德加·愛倫·坡也對這個被稱為“入睡前狀態”（hypnagogic state）的階段非常感興趣，并進行過類似實驗——這個階段是睡眠的初始窗口，人們會在仍保持清醒的狀態下開始體驗到腦海中的意象。

Galatea of the Spheres, 1952 by Salvador Dali

2021年，巴黎腦研究所的一組研究人員，包括安德里永，發現這些自我實驗者的直覺是對的。從這種最早期的睡眠階段（N1）醒來似乎能讓人進入一個“創造力甜蜜點”。人們在入睡前狀態停留約15秒后被喚醒，解決數學題中隱藏規則的可能性是普通人的近三倍。幾年后，麻省理工學院的霍洛維茨帶領的另一項研究發現，通過引導人們在該狀態中做夢，可以進一步提升他們的創造力。

為何“入睡前狀態”能增強創造力，目前尚不完全清楚。一種可能性是，入睡的過程“迫使我們放下對思維的控制”，西北大學博士后、現任睡眠科技公司Dust Systems（霍洛維茨共同創辦）的顧問卡倫·康科利（Karen Konkoly）解釋說。“當我們對大腦的執行控制放松時，或許能接觸到更廣泛的語義信息網絡，從而激發創造力。”安德里永也認為，這一睡眠過渡狀態會產生一種“自由馳騁的意識”，讓大腦脫離常規思維模式的束縛。

就像一座小鎮的房屋逐漸熄燈一樣，當整個鎮子進入沉睡，大腦也慢慢進入“夜間模式”。睡眠從“鎮中心”開始：大腦深處的神經元，比如位于被稱為“下丘腦”這一古老控制中樞的神經元，會發出信號來抑制喚醒系統。鄰近的腦區，比如丘腦（負責將感官信息傳遞到大腦其他區域）會最先關閉。幾分鐘后，大腦皮層也會跟著關閉，這里掌管著意識和高級認知功能。它的關閉順序是從負責計劃和決策的大腦前部，逐步向后延伸至處理視覺等感官信息的區域。

在這一過渡過程中，大腦某些部分已經關閉，而其他部分仍保持清醒，因此我們有時會經歷類似夢境的思緒。霍洛維茨說，在入睡前狀態中，許多人“有一只腳踏進夢中，另一只腳還在現實里”。有些人會聽到聲音，有些人會看到畫面。這些體驗就像輕盈的夢境，是投射在我們仍能感知的現實之上的圖像。

“我們也許可以認為這些心理體驗有某種功能，”巴西北里奧格蘭德聯邦大學的神經科學家西達塔·里貝羅（Sidarta Ribeiro）說，“但也可能沒有功能，只是大腦活動的副產品。”

當你閉上眼睛、感官逐步關閉時，你已不再從外界接收太多信息，但大腦內部仍在發出信號，也許是白天經歷的殘余片段。里貝羅和他的團隊最近報告說，一個人在入睡過程中早期階段的腦中畫面，很可能反映出白天的經歷，這也與其他類似研究的發現相吻合。

一些研究人員正利用睡與醒之間的這個狀態來研究“意識”的本質。“如果你能追蹤大腦在從兩個對立世界切換時發生了什么，就能更深入理解意識是如何波動的，”巴黎腦研究所研究睡眠與意識的研究生尼古拉·德卡（Nicolas Decat）說。在一項尚未經過同行評審的初步研究中，德卡使用腦電圖記錄了100多名參與者在入睡過程中的腦電波。他參考達利和愛迪生的做法，讓參與者手握水瓶，當他們逐漸入睡、瓶子掉落時，聲音會將他們喚醒。

通過將參與者的腦電圖與他們對當時所思所感的自述進行對比，德卡發現，有些夢境般的意象出現在他們“技術上仍是清醒”的狀態中，而某些自發性思考卻出現在他們“技術上已經入睡”的階段。例如，一位參與者報告說感到有螞蟻在背上爬，而腦電圖顯示她當時的腦波快速且頻繁，屬于清醒狀態。另一位參與者則表示，在“技術上”已處于睡眠狀態（腦波緩慢而稀疏）時，自己仍在清晰思考自己正在入睡的過程。

這些未發表的數據表明，“睡眠狀態”可能并不是劃分睡眠意識的最佳方式。“清醒還是睡著，并不能完全決定你腦中在想什么，”德卡說。這些數據“挑戰了傳統觀點，即清醒時就會有某類思維，睡著時就會出現夢境意象。現實可能遠不止如此。”

入睡的過程可能持續數十分鐘，這也意味著研究這個過程相對容易——遠比研究醒來的過程容易。因為醒來通常更快、更難預測，也更難在控制條件下研究。

早安，陽光

奧雷莉·斯特凡（Aurélie Stephan）是瑞士洛桑大學的一位博士后研究員，在研究一種被稱為“悖論性失眠”（paradoxical insomnia）的現象時，對醒來的過程產生了興趣。與真正整夜未眠的失眠者不同，悖論性失眠患者堅信自己整晚都沒睡著，盡管腦電波顯示他們其實確實進入了睡眠狀態。“他們的睡眠時間和睡得很好的人差不多……所以這是個謎，”斯特凡說。

要想弄清楚這個問題，她首先需要研究更典型的清醒過程：一個睡得很好的人醒來時，他們的大腦在做什么？

在一項最新研究中，她分析了超過1000次從睡眠到清醒的瞬間——每次的時間尺度僅為幾秒鐘。她在研究良好睡眠者從非REM睡眠中醒來的數據中，觀察到一種奇特的慢腦波。基于此前動物研究，斯特凡和團隊推測這種慢波源自大腦深處的某個區域。

在這個信號之后，她觀察到大腦皮層開始“醒來”（腦波加快），從前部開始——那里負責執行功能——向后擴展，最終到達處理視覺和其他感官信息的區域。當人們從REM睡眠中醒來時，大腦皮層的喚醒順序也是一樣的，但并不伴隨那個先出現的慢波。

斯特凡發現，這種獨特慢波的出現與人醒來時的清醒感有關。有這種信號的參與者醒來后感覺更清醒；而沒有的人則更昏沉。這表明，這可能是一個幫助喚醒的信號，盡管尚不能完全證實，斯特凡說。

“他們確實非常出色地發現了這一‘睡轉醒’過程的特征性信號，”斯坦福大學研究動物睡眠轉換的分子生物學家路易斯·德·勒塞亞（Luis de Lecea）評價道。劉易斯補充說，他們為我們提供了一幅“詳細的畫像”，并解釋了“為什么我們每次醒來的感覺并不總是一樣的”。

不過腦電圖本身較為粗糙，無法深入探測大腦深層結構或獲取精細信息。而過往利用fMRI或植入電極的研究發現，喚醒信號的起點來自大腦深處的區域，比如下丘腦和腦干。這些區域會喚醒丘腦，后者再將“喚醒指令”投射至大腦皮層。

雖然清醒過程通常比入睡快，但也不是瞬間完成的。斯特凡的研究發現，從大腦皮層前部到后部的“喚醒旅程”可能持續幾秒。但恢復完整意識和認知能力、擺脫“睡眠惰性”，則可能需要幾分鐘到一小時。她的研究和其他研究還顯示，通常與睡眠相關的慢波有時也可能表示“喚醒”，這讓兩者之間的界限變得模糊。

即使我們睜著眼、自認為醒著并在活動，大腦的部分區域仍可能處于睡眠狀態。這種現象被稱為“局部睡眠”（local sleep），研究人員認為，它是為了讓過度疲勞的神經元得以休息和恢復。這有點像海豚可以單側大腦輪流睡眠，或者某些鳥類在飛行中也能睡覺。當我們特別疲憊時，即使身體仍在行動，大腦中某些區域也需要暫停、充電。

“這些人是清醒的，眼睛睜著，甚至正在做事，”安德里永說。“但他們的大腦某些部分卻出現了典型的慢波睡眠。”因此，“局部睡眠”正在挑戰我們對“睡眠”本質的理解。

麻煩的過渡

當我們入睡、醒來，甚至在不同睡眠階段之間切換時，大腦中會同時發生不同類型的腦電波活動，神經元在不同區域同步與去同步，就像一場節奏混雜的交響曲。這種“睡眠拼圖”可以引發諸如入睡前幻象、清明夢、甚至睡眠障礙等各種體驗。

“睡眠障礙極為常見，”劉易斯說，“而且很多時候，它們的核心問題就是‘狀態切換’出了問題。”

這些障礙的表現形式可能是失眠，即無法順利進入或維持睡眠；也可能是夜驚、睡眠癱瘓或夢游，即不能正常蘇醒。在許多情況下，是大腦某些區域在本應睡著時仍然清醒，或者反過來。

失眠的根本問題，就是入睡或維持睡眠的轉換機制出現困難。在睡眠癱瘓中，大腦皮層已經醒來，但控制身體的深層腦區尚未蘇醒，導致人有意識卻無法動彈。在悖論性失眠中，斯特凡發現的潛在喚醒信號太弱，“它沒有完全喚醒他們，只是讓他們‘感覺自己醒著’。”她的團隊也在夢游者身上發現了相同的信號，但那些信號出現在“錯誤的時間窗口”，也就是深度睡眠期間。研究還發現，夢游者的大腦活動與做夢時相似，暗示兩者可能源自相同的睡眠意識機制。

德卡仍在繼續探索“睡眠意識”究竟是什么。他目前正在進行一項調查，了解人們在入睡過程中會經歷哪些思緒和腦中畫面。這些體驗往往難以記憶，因為想要記住它們，我們必須醒來。

有時，我們會在剛剛入睡時，或是在睡眠周期最深處被突然喚醒——這些時刻本不該醒來。也許是床伴翻身驚擾了我們，也許是鑰匙掉落在地的聲音，也可能是我們自己大腦誤判了該喚醒哪些區域的時機。

你的睡眠意識被打斷。你從睡眠邊緣被拉了回來，睜開了眼睛。

作者：Yasemin Saplakoglu

譯者：EY

封面：Kristina Armitage

原文：https://www.quantamagazine.org/how-the-brain-moves-from-waking-life-to-sleep-and-back-again-20251017/