为什么人类需要睡觉？ 第1页

大脑会消耗人体20%的能量，这些能量来自哪里？

恰恰是在你睡觉的时候，不断合成积累的。

你熬夜多，睡眠不足，第二天能消耗的糖原不够，便没有足够的能量支撑你进行高效率的工作和学习。

你白天经过一天的工作和学习，大脑还会产生大量的代谢废物。如果不能及时清理，便会损害大脑。

白天的时候，大脑把所有的精力都用在了你的日常活动，到了晚上它才会开足马力，加班加点对有害物质进行清理。

而清理有害物质的介质叫做——脑脊液。

我们1400～1500ml的大脑中，具有125-150ml的脑脊液。

虽然脑脊液的总量并不是很多，但大脑每天都会产生500ml，并重吸收500ml。

大脑内的脑脊液总是维持在动态平衡的状态，在重吸收的过程中，代谢废物会被转移到血液中去。

脑脊液具有搏动节律，与心脏在血管中产生的压力波相匹配^[1]。

2012年的一项研究发现，睡眠时，大脑中的脑脊液会清除β-淀粉样蛋白^[2]等代谢废物。

早在1991年，β-淀粉样蛋白就被证明对大脑神经元有毒害作用，与阿尔茨海默症等神经退行性疾病有关^[3]。

2013年的一项研究，则进一步证实了，睡眠与大脑代谢废物相关的清理机制^[4]。

大脑的清洁系统，在睡眠时最为活跃。毕竟在清醒状态下，大脑会使用最大的能量去处理各类感知信息。当睡觉的时候，随着处理信息的神经中枢活跃降低，开始整理和巩固我们白天的记忆时，大脑中清除废物的系统才会变得活跃起来。

在清除这些废物的过程中，大脑细胞会缩水60%，大大增加细胞间隙，以帮助脑脊髓液更自由地通过大脑组织间隙，以清除废物。

大脑细胞的缩水过程，主要是通过血液的流出来实现的。

2015年以后的研究则发现，大脑中的代谢废物是通过淋巴管来实现转运的，而且淋巴管也是大脑和免疫系统之间的运输通道^[5]，在此之前，人们并不认为大脑中存在淋巴管。

2019年，波士顿大学的一项研究，展示了睡眠清除代谢废物的过程^[6]。

睡眠状态下，血液（红色标记）流出，脑脊液（蓝色标记）流入。

该研究表明，睡眠状态下，脑脊液会受到睡眠时大脑慢波的影响，在周期性的震荡过程中，清除了大脑中β-淀粉样蛋白等废物。

当处于清醒状态时，这种有规律的周期性变化会随之消失。

主要原因在于，清醒状态下，大脑需要足够的血液来给大脑供氧、功能，血液充盈着大脑，脑脊液只能活动在大脑的表面，很难有进入大脑内部的机会。

即便有少量进入，也仅仅只是睡眠状态下的5%。

不仅仅是β-淀粉样蛋白，你的大脑通过一整天的工作，产生的代谢废中，还存在大量的活性氧(reactive oxygen species , ROS)。

虽然我们依赖氧气分解糖来给我们提供能量，一些中间产物也具有相应的生理功能，例如一氧化氮在血管舒张和神经传导方面发挥着重要作用。但本质上来说，氧气这种强氧化物，以及它衍生的活性氧，同样会氧化破坏我的机体，对健康造危害。

虽然我们的身体，对活性氧、自由基，自有一套清除机制（例如超氧化物歧化酶），但大脑的清理主要在睡眠时进行。熬夜的人，活性氧得不到及时清理，大脑的健康自然会受到威胁。

当然，大家也没必要因为临时熬夜而感到恐慌。

人类经过长达300万年的进化，面对恶劣的环境时，总是有熬夜的需求，大脑早就对熬夜有了适应性的改变。

当你第一天进行熬夜后，第二天你睡觉时，大脑会产生更多的慢波，进行更深度的废物清理。

不过，大脑的这种弹性适应能力也是有上限的。

如果长期熬夜，超过大脑的适应阈值，那自然会对大脑造成伤害。老年人容易患阿尔茨海默症，正是和大脑的慢波减少具有相关性。

当你不得不熬夜的时候，记得一定要好好补上一觉（尽量还是少熬夜）。

虽然睡觉时，大脑对废物的清除是主要工作之一。但睡眠的作用，并不仅仅限于此。

很早以前人们就认识到，慢波睡眠有助于长期记忆的形成，利于巩固学习和经验^[7]。但随着脑科学的快速发展，相关理论才进一步得到了证实。

例如，当我们在清醒状态，一相记忆任务成功执行后，大脑会产生θ振荡。如果我们在睡眠时，相关记忆进行重复激活，当我们识别相关线索时，θ波震荡便会明显加强。这说明，大脑在睡眠期间加强了记忆痕迹和词汇整合^[8]。

在慢波睡眠状态下，海马体中新编码的信息会重复激活，使得陈述性记忆在皮层水平上与已有的知识网络进行协调，并逐渐整合^[9]。

总的来说，睡眠时，大脑新皮层与海马体，通过记忆巩固(MemoryConsolidation)，完成记忆转移，形成长期记忆。而在记忆巩固的过程中，记忆会发生回放。通过对老鼠大脑进行研究，已经确定了相关神经机制的存在^[10]。

除此之外，大脑会优先在睡眠时合成生长激素，几乎已经成了常识。其实，生长激素也主要在慢波睡眠中合成，对成年人的影响很大。

但值得说明的是，一项研究记录了305名儿童从1~10岁的生长、身高，以及体重情况，发现，儿童睡眠时间的变化似乎对儿童的生长没有影响^[11]。这可能和人类的进化有关。

当然，儿童时期睡眠不足，会影响认知、神经元，以及情绪方面的发展，这是有依据的^[12]。

总的来说，就目前的研究来说，睡眠有以下这些作用：

• 能量恢复，代谢调节，体温调节，增强免疫系统，清理废物，利于脑成熟，回路重组，突触优化，避险。

这些作用，主要表现在两大功能上。

1、巩固记忆，维持大脑的认知功能。

2，清理优化，保持大脑的健康高效。

对于长期且过度熬夜的人来说，你损失的主要便是这两大功能。

参考

1. ^ Fleischman D , Berdahl J . Anatomy and Physiology of the Cerebrospinal Fluid[M]. 2019.
2. ^ Iliff J J , Wang M , Liao Y , et al. A Paravascular Pathway Facilitates CSF Flow Through the Brain Parenchyma and the Clearance of Interstitial Solutes, Including Amyloid β[J]. Science Translational Medicine, 2012, 4(147):147ra111.
3. ^ Kowall, Beal, Busciglio, et al. An in vivo model for the neurodegenerative effects of beta amyloid and protection by substance P.
4. ^ Sleep Drives Metabolite Clearance from the Adult Brain[J]. Science, 2013, 342(6156):373-377.
5. ^ Eccles, Jacob, D, et al. Structural and functional features of central nervous system lymphatic vessels (vol 523, pg 337, 2015)[J]. Nature, 2016, 533(May 12 TN.7602):278-278.
6. ^ Fultz N E , Bonmassar G , Setsompop K , et al. Coupled electrophysiological, hemodynamic, and cerebrospinal fluid oscillations in human sleep[J]. Science, 366.
7. ^ Plihal, Werner, Born, et al. Effects of Early and Late Nocturnal Sleep on Declarative and Procedural Memory.[J]. Journal of Cognitive Neuroscience, 1997.
8. ^ Thomas, Schreiner, Maurice, et al. Cueing vocabulary during sleep increases theta activity during later recognition testing[J]. Psychophysiology, 2015, 52(11):1538-1543.
9. ^ Chambers A M , Payne J D . The Memory Function of Sleep[M]. John Wiley & Sons, Ltd, 2015.
10. ^ Wang M , Foster D J , Pfeiffer B E . Alternating sequences of future and past behavior encoded within hippocampal theta oscillations[J]. Science, 370.
11. ^ Jenni O G , Molinari L , Caflisch J A , et al. Sleep duration from ages 1 to 10 years: variability and stability in comparison with growth.[J]. Pediatrics, 2007, 120(4):e769.
12. ^ Jenni O G , Dahl R E . Sleep, cognition, and emotion: A developmental view[J]. child welfare, 2008.