發(fā)布時(shí)間：2023-04-04
編者按：腦科學(xué)對(duì)各種腦功能的解析、腦疾病的診斷治療、類腦智能和腦機(jī)接口的技術(shù)開發(fā)，都具有非常重要的意義，中科院之聲與中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心聯(lián)合開設(shè)“腦智擘未來”專欄，為大家解讀視覺、學(xué)習(xí)記憶、注意力、抉擇、意識(shí)、語言、共情、合作等日常生活中常見行為和現(xiàn)象的研究方式和科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
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，眼球卻在快速運(yùn)動(dòng)，眼瞼上下跳躍。你以為她還沒睡著，輕聲對(duì)她說話，她沒回答。等你也打算躺下時(shí)她卻突然說：“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?yàn)橥殡S著生動(dòng)的夢(mèng)境，又被稱為“夢(mèng)境睡眠”。人在做夢(mèng)時(shí)并沒有睜開眼睛，為何卻能感受豐富的色彩、情緒、人物和場(chǎng)景？當(dāng)我們?nèi)胨螅矍蛉匀辉谖⑽⒌乜焖僬駝?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(yàn)室里，一名叫Aserinsky的研究生為了測(cè)試?yán)吓f的腦電圖記錄設(shè)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。過了一會(huì)兒，Aserinsky發(fā)現(xiàn)信號(hào)出現(xiàn)密集的大幅震蕩，但兒子已經(jīng)睡著了。他就這么捕捉到了“快速眼動(dòng)睡眠”。這個(gè)發(fā)現(xiàn)正式開創(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(hào)圖
（曲線自上而下 --- RV：右側(cè)垂直方向眼電；Resp：呼吸曲線；RH：右側(cè)水平方向眼電；Body Motility：身體運(yùn)動(dòng)；RF：右側(cè)前額葉腦電）
Kleitman實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)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）。從大腦的腦電波來看，快速眼動(dòng)睡眠期間大腦高度活躍，有些大腦區(qū)域甚至比清醒時(shí)還要更活躍。研究者推測(cè)，這些豐富的大腦活動(dòng)很有可能是構(gòu)筑夢(mèng)境的基礎(chǔ)。、
圖二 人的睡眠周期示意圖（圖片來源于網(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)問題，科學(xué)家們開展了一項(xiàng)名為“喚醒+夢(mèng)境報(bào)告”的實(shí)驗(yàn)：在被試者進(jìn)入睡眠后，科學(xué)家根據(jù)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，則說出夢(mèng)境的內(nèi)容。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)表明人在非快速眼動(dòng)睡眠中也會(huì)出現(xiàn)夢(mèng)境，且夢(mèng)境的內(nèi)容往往較有邏輯，與人們白天經(jīng)歷的事件有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，這可能是大腦在對(duì)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(qiáng)烈的情緒、生動(dòng)的視覺場(chǎng)景、更離奇的事件等。
02 大腦怎樣造夢(mèng)
在2011年的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家通過正電子發(fā)射斷層掃描（PET）技術(shù)來記錄全腦的活動(dòng)，并在被試進(jìn)入快速眼動(dòng)睡眠后喚醒他們，讓他們報(bào)告自己經(jīng)歷的夢(mèng)境內(nèi)容2。然后，研究者進(jìn)一步對(duì)夢(mèng)境內(nèi)容進(jìn)行分類并與大腦的活動(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(duì)應(yīng)不同的分類（圖三）：1.行李箱中的城市；2.在廚房的水池里發(fā)現(xiàn)了巨型的草莓；3.在黑暗中遇到危險(xiǎn)、極力追上前面騎馬的人。
情景一體現(xiàn)了夢(mèng)境場(chǎng)景和現(xiàn)實(shí)的分離，情景二體現(xiàn)的是視覺的變形；研究發(fā)現(xiàn)，這兩種夢(mèng)境出現(xiàn)時(shí)大腦中負(fù)責(zé)視覺信息處理的神經(jīng)通路——枕葉皮層到顳葉皮層高度激活，然而，大腦中負(fù)責(zé)更高級(jí)的、與邏輯推理相關(guān)的腦區(qū)——前額葉皮層的活動(dòng)顯著下降。情景三中，人會(huì)產(chǎn)生的強(qiáng)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(bào)告夢(mèng)境內(nèi)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(yùn)動(dòng)。那么，我們能通過揭示眼動(dòng)的規(guī)律來幫助解析夢(mèng)境嗎？
有科學(xué)家提出視覺掃描假說（“Scanning Hypothesis”），認(rèn)為快速眼動(dòng)睡眠中的眼球運(yùn)動(dòng)是人們?cè)趻呙鑹?mèng)境中的圖像，正如我們?cè)谇逍褧r(shí)通過眼球運(yùn)動(dòng)來調(diào)節(jié)視野探索世界一樣3。該假說得到了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持。比如，2022年來自加州大學(xué)舊金山分校的一項(xiàng)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?cè)谛∈笊嫌涗浟艘蝗壕幋a小鼠的頭朝向信息的神經(jīng)元5，并通過這群神經(jīng)元的活動(dòng)對(duì)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(xiàn)快速眼動(dòng)睡眠時(shí)期眼球的運(yùn)動(dòng)方向與實(shí)時(shí)解碼的頭朝向的運(yùn)動(dòng)方向是一致的！這說明夢(mèng)境中的眼動(dòng)并不是隨機(jī)發(fā)生的，而可能與運(yùn)動(dòng)探索中對(duì)不同位置的圖像進(jìn)行觀察有關(guān)。
但也有研究持不同觀點(diǎn)，比如以色列特拉維夫大學(xué)的一項(xiàng)研究提出眼動(dòng)代表夢(mèng)境中的視覺場(chǎng)景切換。研究者通過同時(shí)記錄眼動(dòng)和大腦中多個(gè)腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)夢(mèng)境睡眠中眼球運(yùn)動(dòng)時(shí)的腦活動(dòng)與清醒時(shí)看到新的圖像刺激時(shí)類似6。
04 還能怎樣窺探夢(mèng)境
科學(xué)家們?cè)诳焖傺蹌?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(guó)的兩名醫(yī)生發(fā)現(xiàn)，一些有睡眠障礙的患者在快速眼動(dòng)睡眠中報(bào)告有嚴(yán)重的暴力行為7，而且他們當(dāng)時(shí)的肢體行為往往與喚醒報(bào)告中的夢(mèng)境內(nèi)容密切相關(guān)，比如：夢(mèng)境中正在與人爭(zhēng)執(zhí)打斗的患者在現(xiàn)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(duì)話的方式。有些人經(jīng)過特定訓(xùn)練能清楚地知道自己身處夢(mèng)境，并對(duì)外界刺激做出一定反應(yīng)。來自美國(guó)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(dāng)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、閃光或者觸覺刺激，讓他們結(jié)合夢(mèng)境中的內(nèi)容利用眼動(dòng)或者臉部肌肉運(yùn)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(duì)應(yīng)于4次閃光刺激），認(rèn)為這是一個(gè)摩斯密碼，并通過左右4次眼動(dòng)做出響應(yīng)（圖四）。這種交互式夢(mèng)境不僅說明眼動(dòng)和臉部肌肉運(yùn)動(dòng)能夠反應(yīng)夢(mèng)境中的認(rèn)知活動(dòng)，同時(shí)也為研究夢(mèng)境內(nèi)容、進(jìn)行夢(mèng)境學(xué)習(xí)提供了全新的方式。
圖四 清醒夢(mèng)實(shí)驗(yàn)范式示意圖：被試在夢(mèng)中對(duì)接收的聲光電刺激通過眼動(dòng)或臉部肌電進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)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(xiàn)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(yùn)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(dǎo)的皮層活動(dòng)和這兩個(gè)階段的聯(lián)系。這項(xiàng)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，為未來研究夢(mèng)境的神經(jīng)機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。
夢(mèng)境無涯，“解夢(mèng)”有路，我們期待著有更多關(guān)于夢(mèng)境與睡眠的精彩發(fā)現(xiàn)。
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審稿：中國(guó)細(xì)胞生物學(xué)學(xué)會(huì)神經(jīng)細(xì)胞生物學(xué)分會(huì)
作者：中國(guó)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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