睡眠與健康-2: 為什麼要保證完整的睡眠?深睡眠和淺睡眠哪個更重要?

今天繼續探討「睡眠、健康和生命」這個話題。今天的主要內容是睡眠週期、深睡眠、做夢與記憶和負面情緒的相關性。

完整睡眠週期:同等重要的深睡眠和淺睡眠

上一講跟大家介紹了一本書-《我們為什麼要睡覺》,作者將自己的腦電圖分成三個部分:清醒、深睡眠和淺睡眠(圖1)。

圖1

圖1

清醒狀態

如圖1所示,在清醒時,可以看到腦電波是一種高頻率活動狀態,約為30~40次/秒。在清醒狀態下,人體的視覺、聽覺、味覺、觸覺等感覺器官在蒐集外部資訊,同時大腦在不斷地思考。此時有很多資訊刺激大腦,大腦中的神經元細胞在工作,產生了電信號和化學信號。這些資訊和信號被暫時儲存在大腦內,而支撐我們身體的肌肉處於緊張狀態。

淺睡眠狀態

淺睡眠時的腦電波與清醒時的非常相似,此時叫快波睡眠。在淺睡眠狀態下,我們的記憶在不斷回放,白天蒐集到的資訊浮現出來,同時會產生夢縈(做夢)。做夢時,我們的眼球會水平震顫。

此時,大腦的情感中樞和記憶中樞互相交流,不斷梳理和儲存記憶。而肌肉處在完全放鬆的狀態,實際上整個人體是癱軟的,沒有任何力量。

用進化論來解釋,當我們的大腦非常活躍,正在做夢時,如果身體肌肉非常緊張,我們就會進入夢遊狀態。絕大多數人是沒有夢遊的,因為肌肉處於放鬆狀態,不會出現相應的風險。

深睡眠狀態

深睡眠是慢波狀態,3~4次/秒,像平靜的大海一樣起伏,也像交響樂一樣有節奏地進行記憶梳理。此時,大腦在不斷清除不必要的記憶,將必要的記憶儲存起來,形成長久的記憶。肌肉處在緊張狀態,有一定的張力。

一個完整的睡眠週期

一個完整的睡眠分為5個週期,每個週期90分鐘(圖2)。每個睡眠週期又分為淺睡眠(REM)和4個階段的深睡眠(NREM),第4階段的深睡眠已經進入了完全深睡眠狀態,對外界的所有感知全部隔絕。在一個睡眠週期(例如從晚上11點到凌晨零點半,共90分鐘)中,我們從清醒狀態很快進入到快波睡眠,快波睡眠時間很短暫,隨後進入到4個階段的深睡眠,然後再從深睡眠的第4階段回到第1階段,再到快波睡眠,完成一個睡眠週期。再進入下一個週期的睡眠循環。

圖2

圖2

如圖2所示,隨著時間的推移,深睡眠在減少,凌晨4點以後,深睡眠非常短暫,而淺睡眠時間在延長。在凌晨5~7點,快波睡眠佔絕大多數,也意味著做夢的時間越來越長了。人們常說的早上容易被夢驚醒,因為那時我們常在做夢。

前半夜的熟睡和後半夜的夢境:記憶儲存及情感梳理

睡眠對記憶和情緒有什麼影響?一項薈萃分析顯示,學習前後剝奪睡眠可顯著損害記憶力(圖3)。

圖3

圖3

如圖3所示,中間虛線代表沒有睡眠剝奪,虛線右側代表睡眠被剝奪後記憶力減退幅度。納入薈萃分析的研究幾乎都顯示睡眠剝奪後,記憶力受損。這裡指的記憶力減退是與有充足睡眠的人進行比較,發現如果睡眠減少或被剝奪,記憶力隨後下降。如果我們熬夜學習,實際上是得不償失的,我們需要充足的睡眠來鞏固記憶。

再看快波睡眠對記憶和情緒的影響。另一項薈萃分析顯示,如果剝奪快波睡眠,負面情緒記憶大大加強(圖4)。

圖4

圖4

(REM:快波睡眠;SWS:慢波睡眠)

如圖4所示,豎實線右側表示剝奪快波睡眠後對負面情緒的記憶大大加強。

研究參與者在睡前瀏覽150張照片,其中50張是中性的,50張是積極正面的,50張是消極負面的(如搶劫、暴力等)。剝奪他們在凌晨時的快波睡眠,然後回憶前一天晚上看過的照片,結果顯示參與者對負面情緒照片的記憶比例非常高,而對積極正面和中性照片的記憶力下降。

我們往往有這種體會,早晨如果被喚醒得太早,一天的情緒都會很差,而且容易記住以前很多不愉快的事情。分段剝奪了快波睡眠後,實際上可以保留很多負面情緒的記憶。換句話說,凌晨之後的快波睡眠(淺睡眠)對處理負面情緒資訊非常重要,對鞏固加強正面情緒的記憶也非常重要。

幾乎所有精神異常的人群,他們的睡眠都異常,這也是一個互為因果的主要作用。

如果僅保留淺睡眠,把前面的深睡眠去除,對情緒有什麼影響?

如果只保留淺睡眠,在睡前看消極負面、中性和積極正面的照片,醒來後記住消極負面照片的比例最大(圖5)。在此過程中可以看到,深睡眠對我們騰出相應的記憶空間非常重要。一個完整的睡眠對調節精神非常重要。

圖5

圖5

如圖5所示,分別測試早睡與晚睡的參與者對照片的記憶。分析發現,早睡前學習(深睡眠前),對中性照片的顏色記憶顯著高於負面照片。凌晨學習(淺睡眠為主前),對負面情緒照片的記憶率顯著高於對中性照片的記憶。早睡和晚睡的參與者對照片位置記憶沒有差別。所以,深睡眠對鞏固記憶非常重要,而淺睡眠對情緒記憶調節非常重要。

凌晨的快波睡眠與情緒密切相關,那麼在快波睡眠時大腦發生了什麼?

研究人員收集了正常睡眠人群和白天清醒狀態人群的大腦腦電波,同時做了功能性磁共振,觀察兩組人群的大腦內部結構區別。主要觀察控制情感的杏仁核活動、控制高級中樞的額葉腦電波,以及腎上腺素水平。

圖8

圖8

研究人員將34名健康參與者隨機分為兩組(睡眠組和清醒組)。睡眠組從晚上20:30開始睡覺,到第二天早晨起來,睡前做了150張照片的認知實驗。第二天早晨在電腦上回憶哪些照片是存在的,哪些照片看過,能回憶起的照片比例。控制快速腦電波出現和不出現時的區別。

圖9

圖9

如圖9所示,在睡眠期間,特別是快波睡眠期間,磁共振顯示杏仁核的活動降低。同時,情感中樞與大腦額葉(高級認知中樞)的神經連接增加,將收集的信號逐步輸入到高級認知中樞去處理。柱狀圖顯示,睡眠組控制情感的杏仁核活動顯著下降(圖9B),大腦額葉和情感中樞之間的連接大大加強(圖9D)。

睡眠組和清醒組分別做了兩次測試(間隔12小時),第2次測試是對此之前看到的照片再次進行打分(評級)。結果發現睡眠組在睡眠以後,對負能量照片的情緒打分顯著降低,清醒組對負能量照片的情緒打分沒有明顯降低(圖10)。

圖10

圖10

進一步分析發現(圖11),額葉中間傳遞的情感信號對它的刺激減少,它有機地處置這些情緒記憶。這些刺激主要是伽馬波,它是快波中一種非常強的波。這種強刺激受高水平腎上腺素作用,將負面情緒刺激印刻在額葉中。而睡眠能平息伽馬波,睡眠時大腦開放腦脊液和腦間質液的通道,把白天積累的腎上腺素清除掉,讓它排洩到腦脊液池裡,最後進入了體循環清理掉。所以,這個研究證明了,實際上在快波的時候,我們清理這些負面情緒的記憶是有生理學基礎的。

圖11

圖11

小結與啟示

小結:

  • 一個完整週期:分為深睡眠的四個階段,腦電圖表現為大幅慢波,每秒3-4次,肌肉張力較強;之後進入淺睡眠,腦電圖表現為快波,每秒30次,偶有伽馬波,此時肌肉鬆弛,眼球水平震顫,喚醒時會在夢中;

  • 一個完整睡眠有5個睡眠週期,每個週期為90分鐘;到後半夜,快波睡眠比例增加;

  • 研究顯示,深睡眠時,大腦在梳理已儲存的記憶,有序清理和重置以往的記憶,如同交響樂的優美的樂章;淺睡眠時,大腦接受前一天及近期的感知信號,非常雜亂,時空交錯,此時大腦回放及演繹此前感知的情景,形成夢,大腦(下丘腦、杏仁核)將情感相關信號傳達至額葉,認知處理,保存或清除。

啟示:

  • 睡眠不足,會損害整體記憶;

  • 前半夜睡眠(以慢波深睡眠為主),決定中性事件記憶;

  • 後半夜睡眠(以快波淺睡眠為主),決定情感事件記憶;

  • 剝奪或僅保留後半夜睡眠(快波睡眠),可導致負面情緒記憶保留增加;

  • 充足的睡眠,可以減輕及緩解睡前出現的負面情感記憶;

  • 睡眠,特別是保證充足的快波淺睡眠時間,可以降低杏仁核的活動,減少大腦中的腎上腺素水平,改善大腦情感中樞和大腦額葉(掌控高級認知中樞:自控、計劃、記憶、注意力、同理心等)的連接互動,讓負面情緒刺激及短期記憶得到妥善處理;

  • 不難理解,前半夜慢波為主的深睡眠將額葉空間梳理,為新到來的資訊騰出空間,在後半夜的淺睡眠為主的快波期,通過與情感中樞的連接,將短期內獲得情感信號匯入處理;同時,清除大腦內腎上腺素,減少情感信號在額葉中產生伽馬波的強刺激;

  • 因此,保證完整的5個睡眠週期對記憶及負面情感消除尤為重要;

  • 世界上所有生命都有生物鐘,所有動物都有睡眠,睡眠是生命的一部分,對於人類,它決定著我們的機體健康和精神健康,因此不要聽信那些4小時睡眠就足夠的謬論。

下一講繼續跟大家講「神奇的生物鐘和腫瘤風險」。

參考文獻:

1.van der Helm E, Yao J, Dutt S, et al. REM sleep depotentiates amygdala activity to previous emotional experiences[J]. Current Biology,2011,21:2029-2032.

2.Schäfer SK, Wirth BE, Staginnus M, et al. Sleep’s impact on emotional recognition memory: A meta-analysis of whole-night, nap, and REM sleep effects[J]. Sleep Medicine Reviews,2020,51:101280.

3.Newbury CR, Crowley R, Rastle K, et al. Sleep deprivation and memory: Meta-analytic reviews of studies on sleep deprivation before and after learning[J]. Psychological Bulletin, 2021,147(11):1215-1240.

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