重點提要

■由於所有的動物都要睡覺，因此睡眠必定提供了某些生存必需的功能。
■證據顯示，睡眠會減弱神經元之間的連結，這令人驚訝，因為清醒時神經連結的強化有助於學習與記憶。
■但是經由弱化突觸，睡眠可能防止腦細胞不會因為每日的經驗而超載，也不會消耗過量的能量。 

每天晚上我們躺下睡著後，眼睛閉著、感官遲鈍、身體幾乎麻痺，但腦子卻在賣力工作。睡夢時神經細胞的放電頻率幾乎與清醒時一樣高，所花費的能量也約莫相當，我們不免要問：在這段理當屬於休息之際，腦子依然活動不斷，理由何在？為什麼當腦子還在不斷嘮叨時，意識心靈卻與外在環境完全脫離？

休息時腦中的活動，顯然執行著某些必要的功能；第一個支持該重要性的證據，是睡眠的普遍性：所有動物都會睡覺，雖說失去知覺及反應會大幅增加牠們成為其他動物餐點的可能性。10來年前，作者與其他研究人員已然證實：鳥會睡覺、蜜蜂也會，海蜥蜴及蟑螂都會，甚至連果蠅也會。

再者，生物還演化出好些特殊的適應方式來睡眠；譬如海豚及其他海生哺乳類必須不時浮出水面呼吸，因此牠們的左右大腦半球會輪流關閉：一邊在睡覺，另一邊則保持清醒。

一如許多科學家與非科學家，長久以來我倆就好奇睡眠究竟提供了什麼好處，以至於對生物來說不可或缺。早在20多年前我們在義大利比薩市聖安娜高等研究院共事時，就懷疑腦子在睡眠當中的活動，可能讓一天下來腦中幾十億個遭到改變的神經連結恢復到某個基準點。根據這種想法，睡眠是讓人在一生當中，保留腦中線路形成新記憶的能力，而不至於超載，或是把更早的記憶消除了。

同時，我們對於動物在睡眠時必須與外界環境完全隔離這件事，也有一些想法。對我們來說，腦子為了取得整合新舊記憶的機會，必須中斷對當下時空的意識經驗，而睡眠就提供了這樣的暫時休息。

對研究睡眠在學習與記憶中扮演角色的神經科學家同行來說，我們的假說是有爭議的；因為我們認為睡眠當中興奮的神經元會減弱其連結，好回到基準線，而傳統的想法卻相反：一般認為大腦在睡眠當中的活性「加強」了參與新記憶儲存的神經連結。經由許多年來從果蠅到人的廣泛研究，結果支持了我們的想法。

睡眠強化記憶
最早有科學家提出睡眠對記憶很重要，已是接近一世紀以前的事。從那之後，有許多實驗顯示新近成形的記憶在一夜安眠甚或小寐片刻後，會比在同時間內保持清醒「固定」得更好。這種方式對宣示型記憶以及程序型記憶來說，都一樣有效；前者指的是對連續字串以及圖像與地點的連結，後者則是像彈奏樂器所需的認知與運動技能。

睡眠有助記憶的證據，引導科學家去尋求大腦在夜晚複習新近學習材料的跡象，他們也找到了。20年來先以齧齒動物、接著以人為對象所做的實驗，顯示睡眠時的神經活動型式與受試者於清醒時的記錄，確實有相似之處。例如學習走迷宮的大鼠，腦中位於海馬回的某些神經元會出現特定的放電序列；該動物在接下來的睡眠中，也會重複出現這種放電序列現象，其頻率要比隨機出現高。

可塑性的代價
為了讓腦部得以正常運作，有許多好理由支持突觸在增強之外，還必須加以減弱。先說一點，強勢突觸要比弱勢的花費更多能量，而大腦並沒有用不完的能量。就人腦而言，它幾乎耗用了全身能量的20%，與重量相比是所有身體器官裡最高的，而其中至少2/3是用來支援突觸活性。突觸的建立與強化也是細胞的主要壓力源；為了突觸間溝通之需，細胞必須製造並運送各種組成，從粒線體（細胞的發電廠）、突觸囊泡（輸送傳訊分子），到各種蛋白質與脂質不等。

對我們來說，這種對資源的沉重負擔是無法一直維持下去的，人腦不可能在一生當中日夜都持續強化並維持加速運轉的突觸。我們並不懷疑學習主要是經由突觸增益而產生，我們只是質疑這種強化作用在睡夢中也會持續發生。

反之，睡眠時突觸的減弱將把腦部線路恢復到基準值的強度，因此可避免細胞過度消耗能量及承受壓力。我們把睡眠這種恢復到基準值的功能，稱做「保存突觸恆定」，並把這種關於睡眠角色的整體假說稱做「突觸恆定假說」（synaptic homeostasis hypothesis, SHY）。對所有會睡覺的生物而言，SHY解釋了睡眠的必要性及共通目的，也就是把腦子恢復到清醒時可以學習以及適應的狀態。我們冒著一連幾個小時與環境分離的風險，是為了重新校準神經所付出的代價。以最普通的說法，睡眠是維持腦子可塑性所付出的代價，可塑性則是腦根據經驗來修改配線的能力。

問題是，SHY如何解釋睡眠給學習與記憶帶來的好處？減弱突觸又如何增進整體技藝與事實的保存？試想一天下來，我們經歷過的大小事都在腦中留下了神經軌跡，其中的重要事件，例如與陌生人見面或學習用吉他彈奏一段樂曲，只不過是該神經編碼當中的一小部份。為了增進記憶，睡夢中的腦子必須設法分辨不相關資訊的「噪音」與重要事件的「訊息」。

我們認為，睡夢中腦神經元的自發性放電，以許多不同組合方式活化不同的連結網絡，其中包括了新的記憶軌跡與原先經學習得來的相關網絡（我們可以從夢境一窺這種自由開放的特性）。這種自發活性可讓腦嘗試使用新經驗，看有哪些與重要性已知的固有記憶較為吻合，並把一些與記憶藍圖不相配的突觸減弱。我們和其他研究者正在探索大腦使用哪些機制來選擇性地減弱負責「噪音」編碼的突觸，並保存那些帶有「訊息」的突觸。

正當我們大腦在睡夢中重播這些場景影像、並視情況減弱某些突觸之時，我們最好不要曉得周遭環境發生什麼事，也不要對其反應；也就是說，我們最好是在睡著的狀態。同理，突觸恆定的恢復最好不在我們清醒時發生，因為在日間發生的事將主導這個過程，並予以凸顯，而忽略腦子裡累積的知識。睡覺時我們的意識與外界完全隔離，可讓腦子不受當下發生的事情宰制，因而製造出整合及固定記憶的理想狀態。

減弱神經連結
我們提出腦部在睡眠時使用神經放電來減弱、而非加強突觸的假說，得到腦電圖（EEG）研究分析結果的部份支持；腦電圖是應用於睡眠研究的標準工具，是由貼在頭皮上的電極所記錄到大腦皮質神經電性生理活動。幾十年前，從睡夢中腦部記錄得到的腦電圖，揭露了整晚睡眠中交替出現的兩種狀態，分別是快速動眼（REM）睡眠及非快速動眼（NREM）睡眠，各自擁有特定的腦波型態。除了因為眼球在閉著的眼皮下跳動而得名，REM睡眠期以相當快速上下振動的腦波為主，類似清醒時的腦電圖記錄。反之，頻率約每秒一次的慢速波動，是NREM睡眠期腦波的主要特徵。

加拿大拉瓦爾大學已逝的科學家斯特利雅德（Mircea Steriade）於10年前發現：當好幾群神經元同時放電一陣子（稱為開期），然後安靜個零點幾秒（稱為關期），接著又恢復放電，就造成了NREM睡眠當中的慢波；這可是睡眠研究的基礎發現之一。科學家還發現：鳥類及哺乳類在長時間清醒之後，會出現大幅度的慢波；然後隨著睡眠時間的增長，慢波會變得越來越小。

我們的推論是：如果突觸連結堅強，神經元將更容易同步放電，而產生更大的慢波。如果突觸連結薄弱，它們就會較少同步興奮，產生的慢波也會比較小。利用電腦模擬以及人與動物的實驗，我們得出結論：睡眠前期出現的大幅陡峭慢波，顯示之前的清醒狀態加強了突觸；反之清晨時分的淺小慢波顯示突觸在睡夢中遭到了減弱。

突觸在睡夢中遭到減弱、甚至修剪的直接證據，來自動物實驗。例如，我們在果蠅身上發現，一天下來逐漸變多及變大的突觸棘（特別是當果蠅處於充滿刺激的環境），會因為睡眠而扭轉變化；突觸棘是神經元接收訊息的特殊突起。當果蠅與其他同類互動一天下來，到了傍晚整個腦裡的神經元都會冒出比早晨更多的神經突觸棘。

同樣讓人驚奇的是，只有在允許睡眠的果蠅，到了第二天早晨腦中增加的神經棘數量又回復到了基準值。我們在青春期的小鼠大腦皮質中也觀察到類似的現象：動物在醒著的時候，神經棘的數量會增加，入睡後則會降低。在成年齧齒動物也有相同的結果，只不過在清醒時改變的不是神經棘的數目，而是神經棘上有種稱做AMPA受體的分子數量；該受體分子決定了突觸的強度。我們監控了這種AMPA受體，發現它們在每個突觸上的數目會在清醒時增加，睡著後下降。擁有更多受體的突觸，效力更強；數目變少則代表突觸也變弱。

突觸強度可利用電極刺激皮質的神經纖維而直接量測：如果突觸越強，刺激引發的神經元放電反應就越大，反之則越小。在大鼠身上顯示了這點：動物在清醒幾個小時後，神經元接受刺激後的放電反應會越強；睡覺過後的反應就沒那麼強。義大利米蘭大學的馬西米尼（Marcello Massimini）和胡伯（Reto Huber，目前任職瑞士蘇黎世大學）也在人身上進行了類似的實驗；他們不用電極，而是用跨顱磁性刺激，也就是在頭皮上給予短暫的磁性脈衝，來刺激頭顱下方的神經元。接著他們使用高密度腦波記錄來顯示皮質反應的強度，結果發現：受試者清醒的時間越久，腦波的反應就越大；受試者經過一夜安眠後，皮質反應才會回到基準值。

少就是多
我們從20多年來做過的實驗得出的共同結論是：睡眠時腦皮質的自發活性確實減弱了神經線路的突觸聯繫；要嘛是降低突觸傳遞電脈衝的能力，不然就是把突觸給澈底清除了。

這個我們稱做「下調選擇」的過程，將保證「最適」線路的存活；不論是這些線路在清醒時受到強烈且持續的活化（好比學一首新曲時，在吉他上彈出聲音），還是由於與之前較老的記憶整合得更好（例如在學過的語言中碰到新字）。同時，清醒時只受到輕微加強的線路突觸（好比說在吉他上隨手玩弄的音符），或是與老記憶不那麼相符的突觸活化（譬如碰上的新字屬於自己不會的語言），則會遭到減弱。

下調選擇將保證不重要的事件不會在我們神經線路中留下持久的痕跡，而重要的記憶則會長存。下調選擇還有個附加好處，就是讓我們在清醒時可以進行下一輪的突觸強化。有些研究結果指出：睡眠對學習與記憶的諸多好處之一，是加強對新記憶的擷取（指的是在下一回睡眠之前接觸的內容）。已有相當多實驗顯示，人在一夜好眠之後，要比清醒一天的末了更容易學習新事物。

雖然迄今為止，我們還沒有選擇性減弱活化突觸機制的直接證據，但對於如何弱化突觸倒有個想法：我們懷疑哺乳動物在NREM睡眠期的慢波，可能扮演一角；這點在以離體大鼠腦組織所做的實驗室研究得到支持：神經元接受類似慢波睡眠中同步開關的刺激後，細胞間相互傳遞訊息的效力就變弱了。

在NREM睡眠期中，腦化學也出現了可能導致突觸減弱的變化。人在清醒時，訊息傳遞物或神經調質將腦浸漬在內，並誘導使用這些傳訊分子的突觸得到強化。在睡眠期間（尤其是NREM睡眠期），這鍋訊息湯會變得較為稀釋；稀釋的神經調質環境可能誘導神經線路中的突觸在有訊息通過時，遭到減弱而非加強。這個過程還可能有促進突觸強化以及參與記憶擷取的腦源神經營養因子（BDNF）參與；在動物清醒時，神經元當中的BDNF量會升高，睡眠時則降到最低。

局部大腦在睡覺
在許多物種中都發現，整體的突觸強度在清醒時增高以及在睡眠時降低，也就是SHY的主要推測。我們還可以就SHY的一些有趣推論，做進一步的測試。

譬如說如果該假說成立，那麼清醒時可塑性較強的腦區，就應該更需要睡眠。為了測試這項假說，我們要求受試者學習一項新技能：在電腦螢幕上利用固定旋轉的游標來指向目標；參與這項學習任務的腦區是右頂葉皮質。果不其然，接受訓練的受試者入睡後，在右頂葉皮質部位記錄到的慢波，要比學習前一晚在相同位置記錄到的來得大。大型慢波會隨著一夜的睡眠變得越來越小，是它們一向的行為；但那些睡眠初期出現的局部大型慢波，則顯示該特定腦區由於執行我們指定的任務，已然精疲力竭。

之後許多實驗，都證實了學習（就是活化線路中的突觸）會增加局部腦區的睡眠需求。最近我們發現，長期或密集使用某些線路，可讓局部神經元群「入睡」，就算其他腦區（以及個體本身）仍保持清醒也一樣。因此，某隻大鼠清醒的時間如果比平常更久，有些皮質神經元會出現一些短暫的安靜期，基本上與慢波睡眠中的關閉期沒有兩樣。在此同時，該大鼠仍雙眼張開，跑來跑去做牠的事，一如所有清醒的老鼠。

這種現象稱為「局部睡眠」，吸引了許多研究人員進行檢驗。我們最新的研究顯示，在睡眠遭到剝奪的人腦中，也有局部關閉的時段；這種時段在密集學習後，頻率還會變得更高。看來當人醒著的時間過長或是過度使用某些線路，一些腦區會突然打起盹來。我們不免好奇，在精疲力竭卻認為自己還完全清醒且有完全掌控的人身上，究竟有多少的錯誤判斷、愚蠢失誤、激怒反應以及不良情緒，是由於腦中的局部睡眠所造成。

SHY也預測了睡眠對兒童及青少年特別重要，因為許多研究已顯示，那是人生中專注學習以及大量突觸重整的階段。在發育時期，突觸的形成、強化以及剪裁都以爆炸性的速率進行，是成年後完全無法達到的。在這些發育階段，睡眠期的下調選擇可以減少突觸瘋狂重整的能量花費，以及讓具有適應性的神經網路存活，因此有其道理。我們不免尋思，在發育的這些關鍵時刻，睡眠如果遭到干擾或不足，會造成什麼樣的後果。睡眠不足是否會干擾神經網路的正確微調？如果真是如此，那麼缺乏睡眠就不只是偶爾出現的健忘或判斷錯誤，而是對腦部配線方式造成長遠的改變。

我們期待對SHY的各種假說進行測試，進一步探討其背後寓意。例如，我們希望發現在神經發育時剝奪睡眠是否會改變腦中線路的組建，我們也想知道睡眠對深部腦區（好比視丘、小腦，下視丘以及腦幹等部位）的可能影響，還有REM睡眠對突觸恆定扮演的角色。或許我們將發現，以睡眠來維持大腦可塑性，是每個神經元都必須付出的代價。

【欲閱讀完整內容，請參閱科學人2013年第139期9月號】