發(fā)布時(shí)間：2023-04-04
編者按：腦科學(xué)對各種腦功能的解析、腦疾病的診斷治療、類(lèi)腦智能和腦機接口的技術(shù)開(kāi)發(fā)，都具有非常重要的意義，中科院之聲與中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心聯(lián)合開(kāi)設“腦智擘未來(lái)”專(zhuān)欄，為大家解讀視覺(jué)、學(xué)習記憶、注意力、抉擇、意識、語(yǔ)言、共情、合作等日常生活中常見(jiàn)行為和現象的研究方式和科學(xué)發(fā)現。
試想，你躡手躡腳走進(jìn)房間、走近床邊，看到同住者雖然安靜地躺著(zhù)，眼球卻在快速運動(dòng)，眼瞼上下跳躍。你以為她還沒(méi)睡著(zhù)，輕聲對她說(shuō)話(huà)，她沒(méi)回答。等你也打算躺下時(shí)她卻突然說(shuō)：“哎呀，我剛做了個(gè)夢(mèng)，可有意思了……”
這就是快速眼動(dòng)睡眠，因為往往伴隨著(zhù)生動(dòng)的夢(mèng)境，又被稱(chēng)為“夢(mèng)境睡眠”。人在做夢(mèng)時(shí)并沒(méi)有睜開(kāi)眼睛，為何卻能感受豐富的色彩、情緒、人物和場(chǎng)景？當我們入睡后，眼球仍然在微微地快速振動(dòng)，它們是在“造夢(mèng)”嗎？
01 何時(shí)有夢(mèng)
1951年，芝加哥大學(xué)Kleitman實(shí)驗室里，一名叫Aserinsky的研究生為了測試老舊的腦電圖記錄設備把電極片貼在8歲兒子的眼瞼上，讓他上下左右移動(dòng)眼球。過(guò)了一會(huì )兒，Aserinsky發(fā)現信號出現密集的大幅震蕩，但兒子已經(jīng)睡著(zhù)了。他就這么捕捉到了“快速眼動(dòng)睡眠”。這個(gè)發(fā)現正式開(kāi)創(chuàng )了睡眠領(lǐng)域的神經(jīng)科學(xué)研究1。
圖一 Aserinsky記錄到的睡眠中眼電和腦電的原始信號圖
（曲線(xiàn)自上而下 --- RV：右側垂直方向眼電；Resp：呼吸曲線(xiàn)；RH：右側水平方向眼電；Body Motility：身體運動(dòng)；RF：右側前額葉腦電）
Kleitman實(shí)驗室系統地記錄了一批人的腦電和眼電，可以清楚地劃分快速眼動(dòng)睡眠和非快速眼動(dòng)睡眠的不同階段（圖二）。從大腦的腦電波來(lái)看，快速眼動(dòng)睡眠期間大腦高度活躍，有些大腦區域甚至比清醒時(shí)還要更活躍。研究者推測，這些豐富的大腦活動(dòng)很有可能是構筑夢(mèng)境的基礎。、
圖二 人的睡眠周期示意圖（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )）
那么，夢(mèng)境只發(fā)生在快速眼動(dòng)睡眠中嗎？
為了回答這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們開(kāi)展了一項名為“喚醒+夢(mèng)境報告”的實(shí)驗：在被試者進(jìn)入睡眠后，科學(xué)家根據腦電圖波形判斷所處的睡眠階段，并在不同的睡眠階段將人喚醒。被試被喚醒后要回憶是否正在經(jīng)歷夢(mèng)境，如果有，則說(shuō)出夢(mèng)境的內容。大量實(shí)驗數據的統計表明人在非快速眼動(dòng)睡眠中也會(huì )出現夢(mèng)境，且夢(mèng)境的內容往往較有邏輯，與人們白天經(jīng)歷的事件有很強的關(guān)聯(lián)性，這可能是大腦在對白天的經(jīng)歷進(jìn)行整理歸檔；更多的夢(mèng)境發(fā)生在快速眼動(dòng)睡眠階段，這個(gè)階段的夢(mèng)境往往包含強烈的情緒、生動(dòng)的視覺(jué)場(chǎng)景、更離奇的事件等。
02 大腦怎樣造夢(mèng)
在2011年的一項研究中，科學(xué)家通過(guò)正電子發(fā)射斷層掃描（PET）技術(shù)來(lái)記錄全腦的活動(dòng)，并在被試進(jìn)入快速眼動(dòng)睡眠后喚醒他們，讓他們報告自己經(jīng)歷的夢(mèng)境內容2。然后，研究者進(jìn)一步對夢(mèng)境內容進(jìn)行分類(lèi)并與大腦的活動(dòng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。
不妨舉個(gè)例子，以下三種夢(mèng)境情景對應不同的分類(lèi)（圖三）：1.行李箱中的城市；2.在廚房的水池里發(fā)現了巨型的草莓；3.在黑暗中遇到危險、極力追上前面騎馬的人。
情景一體現了夢(mèng)境場(chǎng)景和現實(shí)的分離，情景二體現的是視覺(jué)的變形；研究發(fā)現，這兩種夢(mèng)境出現時(shí)大腦中負責視覺(jué)信息處理的神經(jīng)通路——枕葉皮層到顳葉皮層高度激活，然而，大腦中負責更高級的、與邏輯推理相關(guān)的腦區——前額葉皮層的活動(dòng)顯著(zhù)下降。情景三中，人會(huì )產(chǎn)生的強烈恐懼情緒，這與大腦中的“恐懼中樞”杏仁核的激活有關(guān)。
圖三 快速眼動(dòng)睡眠時(shí)期全腦神經(jīng)活動(dòng)變化（A）以及被試報告夢(mèng)境內容舉例（B-D）2
03 眼動(dòng)與做夢(mèng)
在夢(mèng)境睡眠期中我們身體的軀干肌電幾乎處于麻痹狀態(tài)，然而面部的一些肌肉仍可以活動(dòng)，其中眼周的肌電活動(dòng)會(huì )造成夢(mèng)境睡眠中的快速眼球運動(dòng)。那么，我們能通過(guò)揭示眼動(dòng)的規律來(lái)幫助解析夢(mèng)境嗎？
有科學(xué)家提出視覺(jué)掃描假說(shuō)（“Scanning Hypothesis”），認為快速眼動(dòng)睡眠中的眼球運動(dòng)是人們在掃描夢(mèng)境中的圖像，正如我們在清醒時(shí)通過(guò)眼球運動(dòng)來(lái)調節視野探索世界一樣3。該假說(shuō)得到了多項實(shí)驗證據的支持。比如，2022年來(lái)自加州大學(xué)舊金山分校的一項研究證實(shí)了眼動(dòng)的發(fā)生可能與夢(mèng)境中空間探索密切關(guān)聯(lián)4。他們在小鼠上記錄了一群編碼小鼠的頭朝向信息的神經(jīng)元5，并通過(guò)這群神經(jīng)元的活動(dòng)對小鼠的頭朝向位置進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼。有趣的是，研究人員發(fā)現快速眼動(dòng)睡眠時(shí)期眼球的運動(dòng)方向與實(shí)時(shí)解碼的頭朝向的運動(dòng)方向是一致的！這說(shuō)明夢(mèng)境中的眼動(dòng)并不是隨機發(fā)生的，而可能與運動(dòng)探索中對不同位置的圖像進(jìn)行觀(guān)察有關(guān)。
但也有研究持不同觀(guān)點(diǎn)，比如以色列特拉維夫大學(xué)的一項研究提出眼動(dòng)代表夢(mèng)境中的視覺(jué)場(chǎng)景切換。研究者通過(guò)同時(shí)記錄眼動(dòng)和大腦中多個(gè)腦區的神經(jīng)活動(dòng)，發(fā)現夢(mèng)境睡眠中眼球運動(dòng)時(shí)的腦活動(dòng)與清醒時(shí)看到新的圖像刺激時(shí)類(lèi)似6。
04 還能怎樣窺探夢(mèng)境
科學(xué)家們在快速眼動(dòng)睡眠行為障礙（Rapid eye movement disorder, RBD）的疾病病人中做了一系列有意思的嘗試。1986年，美國的兩名醫生發(fā)現，一些有睡眠障礙的患者在快速眼動(dòng)睡眠中報告有嚴重的暴力行為7，而且他們當時(shí)的肢體行為往往與喚醒報告中的夢(mèng)境內容密切相關(guān)，比如：夢(mèng)境中正在與人爭執打斗的患者在現實(shí)中會(huì )作出拳擊或蹬腿樣動(dòng)作。
清醒夢(mèng)則提供了另一種我們與夢(mèng)中人直接對話(huà)的方式。有些人經(jīng)過(guò)特定訓練能清楚地知道自己身處夢(mèng)境，并對外界刺激做出一定反應。來(lái)自美國西北大學(xué)的Konkoly等人收集了36個(gè)清醒夢(mèng)被試，記錄他們的腦電圖、眼電和臉部的肌電，當被試者進(jìn)入清醒夢(mèng)之后，研究人員給他們一系列的聲音、閃光或者觸覺(jué)刺激，讓他們結合夢(mèng)境中的內容利用眼動(dòng)或者臉部肌肉運動(dòng)做出回答8。比如，被試者夢(mèng)到自己在教室中看到頂部的燈光在以一定模式閃爍（對應于4次閃光刺激），認為這是一個(gè)摩斯密碼，并通過(guò)左右4次眼動(dòng)做出響應（圖四）。這種交互式夢(mèng)境不僅說(shuō)明眼動(dòng)和臉部肌肉運動(dòng)能夠反應夢(mèng)境中的認知活動(dòng)，同時(shí)也為研究夢(mèng)境內容、進(jìn)行夢(mèng)境學(xué)習提供了全新的方式。
圖四 清醒夢(mèng)實(shí)驗范式示意圖：被試在夢(mèng)中對接收的聲光電刺激通過(guò)眼動(dòng)或臉部肌電進(jìn)行實(shí)時(shí)響應13
2022年中科院腦智卓越中心劉丹倩研究組發(fā)表在Nature neuroscience上的工作發(fā)現了小鼠快速眼動(dòng)睡眠時(shí)除了具有眼動(dòng)之外，還有豐富的咀嚼、抽鼻子和胡須運動(dòng)9。綜合這些面部活動(dòng)并進(jìn)行定量化，研究者將快速眼動(dòng)睡眠分成了安靜期和活躍期，并且揭示了大腦皮層的壓后皮層主導的皮層活動(dòng)和這兩個(gè)階段的聯(lián)系。這項研究搭建起了快速眼動(dòng)睡眠期的行為表征和神經(jīng)活動(dòng)的橋梁，為未來(lái)研究夢(mèng)境的神經(jīng)機制奠定了基礎。
夢(mèng)境無(wú)涯，“解夢(mèng)”有路，我們期待著(zhù)有更多關(guān)于夢(mèng)境與睡眠的精彩發(fā)現。
參考文獻：
1. Aserinsky, E. & Kleitman, N. Regularly occurring periods of eye motility, and concomitant phenomena, during sleep. Science 118, 273–274 (1953).
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7. Schenck, C. H., Bundlie, S. R., Ettinger, M. G. & Mahowald, M. W. Chronic behavioral disorders of human REM sleep: a new category of parasomnia. Sleep 9, 293–308 (1986).
8. Konkoly, K. R. et al. Real-time dialogue between experimenters and dreamers during REM sleep. Curr. Biol. 31, 1417-1427.e6 (2021).
9. Dong, Y., Li, J., Zhou, M., Du, Y. & Liu, D. Cortical regulation of two-stage rapid eye movement sleep. Nat. Neurosci. 25, 1675–1682 (2022).
審稿：中國細胞生物學(xué)學(xué)會(huì )神經(jīng)細胞生物學(xué)分會(huì )
作者：中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心董宇凡
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