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我們為什么會做夢
2020年01月02日 16:34 來源:《光明日報》 作者:弗蘭切斯卡·西克拉里(France 字號

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  夢從哪里來?為何我們的大腦能夠每夜毫不費力地生成故事和圖片?利用現有的技術,我們能夠實實在在地記錄下這些轉瞬即逝的夢境嗎? 

  在長達五年的實驗中,科學家探究了睡眠期間的大腦活動,從而確定了負責產生夢境的大腦區域。 

  1 快速眼動與其他睡眠 

  當美國芝加哥大學的歐赫內·阿瑟林斯基(Eugene Aserinsky)與納塔涅爾·克萊特曼(Nathaniel Kleitman)于20世紀50年代發現快速眼動(REM)睡眠之后,這些問題的答案似乎變得觸手可及。當時,兩位科學家通過在頭皮、眼球附近和肌肉上放置電極(即通過腦電圖、眼電圖和肌電圖)來記錄大腦活動,首次觀察到了一種特殊的睡眠階段。在這一階段,大腦神經元十分活躍,與清醒狀態極為相似,因此這種睡眠也被稱為“異相睡眠”。

  另外,他們觀察到,在大腦高度活躍的同時,眼球也會出現持續的快速移動。根據這種特征,他們決定用“快速眼動”(rapid eye movement)的英文首字母縮寫REM來指代這一睡眠階段。

  這些發現激發了兩位科學家的好奇心,他們叫醒了實驗中處于REM睡眠階段的志愿者,并詢問他們在醒來之前是否做了夢。結果表明,有74%的志愿者記得自己做了夢。而在“其他睡眠階段”(也被稱為非快速眼動睡眠或NREM睡眠),這一比例則降至17%。因此我們也不難理解,為何研究人員在最初發表這些結果的時候,聲稱他們找到了“能夠確定夢是否會出現以及出現頻率的方法”。

  這一非同尋常的發現使得許多科學家開始重復這項實驗。他們意識到,與其詢問志愿者們是否做了夢,不如問問他們“蘇醒之前腦海中出現了什么”。這樣一來,即使處于其他睡眠階段,在70%的情況下他們也能得到有關夢境的答復。但如今我們已經知道,發生在NREM睡眠與REM睡眠中的夢境常常難以區分。

  這一發現給睡夢研究領域帶來了更多的謎團。與REM睡眠相反,NREM睡眠中大腦的活躍度很低,在腦電圖中顯示的主要是平緩的波浪線,即低頻的慢波。那么,大腦為何在活躍度如此不同的兩個睡眠階段都能產生夢境呢?

  相關的解釋層出不窮——有些研究者總結,大腦活躍度與做夢并無關聯;有些人堅稱夢并不發生在睡眠中,而是剛蘇醒時思緒混亂導致的虛假記憶;還有一些人則懷疑NREM睡眠中產生的夢境由REM睡眠的入侵造成。

  2 睡了還是醒著 

  由于這些不確定性,夢在科學世界被視作是一個模糊、有爭議、難以探究甚至無法探究的話題。的確,探索夢的本質時會遇到種種阻礙,因為夢轉瞬即逝,很快就會被人們遺忘,而且夢境的內容總是出人意料,難以用語言描述。由于以上原因,研究人員需要在夜晚喚醒志愿者,以便收集與夢有關的證據,但這對于志愿者和研究人員雙方來說都不是什么愉快的經歷。此外,還有技術層面的困難需要攻克。為了正確描述與夢有關的大腦活動特征,需要毫秒級的時間分辨率和精確的空間分辨率,來識別大腦不同區域的電活動。幸運的是,近年來取得的一些技術進步提高了我們研究睡眠的可能性。

  高密度腦電圖(high-density EEG)技術相較于傳統的腦電圖有了明顯的改善,科學家能在一頂腦電帽上裝配多達256個電極。除了能夠達到出色的時間分辨率(毫秒級),該技術還能通過“信源模型”(source modeling),即利用數學算法計算出產生大腦活動的源頭,實現大腦不同區域的電活動的高精度可視化。因此,在任何給定時刻,研究人員都能夠通過高密度腦電圖了解到,大腦皮層的哪些區域正處于活動狀態。 此外,腦電帽具有較高的舒適度,戴著它也可以在床上不受干擾地入睡。

  近年來各種研究表明,同一時刻大腦各區域的睡眠狀態并不一致,這引起了科學家極大的興趣。盡管我們早就知道海豚大腦的兩個半球是交替入睡的,但是人類的“局部睡眠”現象卻是最近才發現的。利用諸如高密度腦電圖和顱內記錄等技術來近距離觀察神經元之后,科學家發現,通常用于表征睡眠的慢波并不會在大腦的所有區域同時產生,而是局限于部分區域,而其余區域則觀察不到。換句話說,在某些時刻,大腦的部分區域可以被認作是“清醒的”,而與此同時,其他區域卻在“睡覺”。夢游就是一個“半睡半醒”狀態的極端例子,它發生在深睡階段,夢游者雖然能夠活動,但大腦并不完全清醒。

  人類自身的生理條件也能讓睡眠和清醒兩種狀態混合在一起。比如,當一夜的睡眠即將結束時,大腦的某些區域已經醒了,而其他區域仍表現為睡眠狀態才有的慢波。這種差異性是否多多少少反映了夢的存在及其特質?

  3 長達五年的實驗 

  為了回答這個問題,在美國威斯康星大學麥迪遜分校的威斯康星睡眠與意識研究中心,中心主任朱利奧·托農(Giulio Tonon)和我們一起開展了一項宏偉的研究。我們招募了一批健康的志愿者,他們愿意分享自己的夢境,并同意睡在實驗室里。研究的第一階段,我們讓志愿者回家睡覺,并要求他們記錄下每次睡醒前腦海里的最后片段。一開始,他們發現很難回憶起最后一場夢境;但兩周之后,由于不斷重復深夜的任務,這些志愿者已經足夠專業。于是,他們順利進入了第二階段的任務——在實驗室里過夜。

  實驗是這樣進行的:到了晚上,志愿者戴上高密度腦電圖的專用腦電帽,然后進入一間沒有窗戶的隔音房間睡覺。這樣一來,志愿者的睡眠不會被打擾,而且能保證實驗始終在相同的條件下進行。研究人員在另一個房間里,觀察計算機屏幕上志愿者大腦活動的波形變化。每隔15至30分鐘,一名研究人員就會利用計算機發出聲音以喚醒志愿者,并通過對講機詢問他們最近一次做夢的內容。

  在長達五年的實驗中,我們重復了近一千次喚醒過程,并記錄下了數百條與夢有關的信息。志愿者描述的夢境五花八門,令人驚嘆——與朋友的對話、一個抽象的想法、佛祖腹部的清晰圖像、某人面孔的模糊記憶、電影般復雜的長篇故事的最后一幕……但有時,志愿者報告他們沒有做任何夢,就好像從完全無意識的狀態中醒來。并且,這種情況不單單發生在深睡階段,也會發生在REM睡眠階段。

  這些觀察為我們研究與意識相關的大腦活動提供了獨特的機會。夢可以被視作意識的一種特殊表現形式,會在我們與外界失去聯系時出現。做夢時,大腦可以在不受環境刺激的情況下創造一系列畫面。盡管夢境是虛構的,但夢中的經歷與我們白天清醒時的經歷有諸多相似之處——夢中我們也會看見圖像、聽見聲音,也會思考和感受情緒。在睡眠過程中,有時大腦會陷入無意識狀態,因此我們可以參照意識活動進一步了解大腦是如何在睡眠中運作的。換句話說,我們能夠研究與意識相關的大腦神經元。

  4 關鍵的大腦區域 

  對比做夢時的大腦活動和從無意識狀態醒來前的大腦活動,我們可以發現做夢的時候,大腦低頻活動少,高頻活動多。這種差別并不是普遍存在,而僅僅出現在被稱為“后皮質熱區”(posterior cortical hot zone)的大腦后側區域。它包含視覺區及其他區域(如楔前葉和后扣帶回),能夠將不同形式的感官體驗整合到一起。實驗結果顯示,要在睡眠時產生意識,并不需要激活整個大腦皮層。產生夢中意識的后皮質熱區實際上是一個相對狹窄的區域。

  另一大驚人之處在于,無論是在NREM睡眠中,還是在REM睡眠期間,做夢都與后皮質熱區的激活有關。這一現象首次向我們解釋了,為什么在大腦活動特點十分不同的兩個階段我們都有可能做夢。換而言之,夢的形成不需要全腦的參與,而僅需要激活后皮質熱區這一特定區域即可。當志愿者明確記得自己做過夢時,即便他們想不起夢的內容,后皮質熱區內的低頻活動也比高頻活動少。這似乎表明,后皮質熱區中慢波的變化決定了夢是否存在,但無法決定我們能否記住夢的內容。我們觀察到,與被遺忘的夢不同,當大腦多個區域被激活時,夢才會被記住。

  除此之外,我們還觀察到,在REM睡眠階段,某些夢的內容與大腦特定區域的激活緊密相關。與之相似的是,如果大腦在清醒階段感知相同的內容,這些區域也會被激活。舉個例子,當志愿者夢到人臉的時候,梭狀回面孔區會被激活,而在清醒狀態下感知人臉時也是如此。盡管這一切看起來似乎理所當然,但卻是科學界邁出的重要一步:它表明夢境反映了睡眠中產生的種種經歷,因此夢并不像許多學者所認為的那樣,只是蘇醒時產生的虛假記憶。

  在最近的一次實驗中,我們想弄明白是否有可能實時預測志愿者的夢境。在監測志愿者后皮質熱區的活動時,只要NREM睡眠階段中高低頻活動的比例超過一定數值,我們就會把他們叫醒。如果高頻活動遠超低頻活動,我們就會猜測志愿者正在做夢。通過這種方法,我們在預測志愿者是否做夢時,能夠達到87%的正確率。

  5 夢境重現 

  我們的研究成果解開了睡夢研究領域內的許多謎團,但卻也引發了其他問題:是否有一天,后皮質熱區能幫助我們預測,一個人在睡眠狀態或其他非清醒狀態下(例如昏迷或全身麻醉時)是否具有意識?后皮質熱區是如何被激活的?出現在夢境中的圖像是如何被決定的,其功能又是什么?我們有可能預測夢的大部分內容,甚至是整個夢境嗎?

  曾有科學實驗嘗試回答這些問題。日本奈良先端科學技術大學的神谷之康(Yukiyasu Kamitani)等人于2013年在《科學》(Science)上發表的一項研究表明,也許我們很快就能實時查看夢的內容。通過激活視覺區域(也包括后皮質熱區)和運用機器學習技術,神谷的研究團隊在志愿者入睡后利用核磁共振成像(MRI)成功破譯了他們的夢境,并以視頻的形式進行了重建。

  其中一段視頻展現了一系列與信件、數字和書法有關的圖像,然后志愿者解釋了自己的夢境:“我記得自己看到了一些字。夢里出現了一個類似于信紙的東西,可以在上面寫字。我看了信紙上的字,是黑白的,并且除了這張信紙周圍什么都沒有。在那之前我還觀看了一場電影,電影里有一個人,但我記不清楚了?!边@個例子表明,基于人工智能的發展,我們或許可以預見睡著后夢境的大致內容。

  隨著數據分析技術的進步,也許在不遠的將來,我們能更容易地獲取不同的睡眠階段甚至清醒狀態下的類似視頻資料。這樣的進步不僅可以滿足我們想解讀夢境與思想的好奇心,而且有更重要的臨床意義:比如將經歷過腦部創傷、無法對刺激做出反應的病人腦中發生的事情可視化,或許有助于醫生判斷病人是具有意識、還是處于昏迷狀態,從而制定更好的治療方案。這些數據還有助于我們理解大腦是如何生成自己的現實世界的:與清醒狀態下的外部現實世界相比,腦海中的現實(如夢境)有什么不同?當腦海中的現實與我們感知到的外部世界發生沖突時(如患有幻覺癥的精神病患者),又會發生什么?或許與夢有關的科學研究能夠提供一個新的出發點,盡管目前的發現仍不足以回答此類問題。

  撰文?弗蘭切斯卡·西克拉里(Francesca Siclari)?翻譯?馮盈哲  

作者簡介

姓名:弗蘭切斯卡·西克拉里(Francesca Siclari) 工作單位:

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