我们为什么要睡觉（二）
在上⼀篇⽂章中提到，科学家发现所有具有神经系统的动物都会睡觉。我们⽇常⻅到的许多动物每天都必须睡觉。睡眠与神经系统之间到底存在什么联系？酣睡的⼈（还有⼀些动物）为什么会时不时抽动⼀下？在所有关于动物睡眠的研究中，我们对⼈类的睡眠研究最为深⼊，因为这代表了最复杂的神经系统的状况，因此我们可以先从介绍⼈类的睡眠过程开始。
⼈睡眠时，⼤脑活动简直是“⼤起⼤落”。
如果仅从外表看起来，睡眠似乎是⼀个连续均匀的过程。但实际上睡眠过程⾮常复杂——从脑的电活动来看，⼈类睡眠时的⼤脑甚⾄可谓是⼤起⼤落。⼈类在整个睡眠期间会出现两种不同的睡眠状态，这两种状态会交替出现5-6次。第⼀种睡眠状态⽐较符合我们对睡眠的想象：眼睛关闭以后眼球也不再活动，脑部活动降低。但是第⼆种睡眠状态就有些出⼈意料了：眼睛虽然关闭，眼球却在眼⽪下快速转动，脑部活动也增加到清醒时的程度。
第⼀种睡眠状态没有眼球的快速转动，叫做“⾮快速眼动睡眠（Non Rapid Eye Movement，简称NREM）”，⽽且从浅到深分为3期。第⼆种睡眠状态根据眼球的状态被称为“快速眼动睡眠（Rapid Eye Movement, 简称REM）”，再加上⾮快速眼动睡眠，整个睡眠过程分为4期，周⽽复始地出现。为了更简明地区分两种睡眠状态，在后⾯的⽂字中我们使⽤REM睡眠和NREM睡眠的称呼。
第1期是⼊睡期，即⼈从清醒转⼊睡眠的时期，持续约1-7分钟。此时⼈的睡眠较浅，易被唤醒，唤醒后感觉还未⼊睡。眼球在眼⽪下慢速转动，2-4秒转动⼀次。脑电波从清醒休息时频率为8-12 Hz的阿尔法（α）波逐渐变为3-7 Hz的⻄塔（θ）波。第2期持续10-25分钟，意识丧失，⼼跳呼吸变慢，眼球停转，但强刺激仍可将⼈唤醒。
脑电波在基础波形上出现两种波：⼀种是8-14 Hz的纺锤波（sleep spindle），每次持续⼤约1秒，中间波幅最⾼，使这段波的形状类似纺锤；另⼀种是K-复合波（K-complexes），波先是⼤幅上升，然后⼜⼤幅下降，再回到基础波，整个时间持续0.5-1秒。
第3期是深睡期，在此期间唤醒困难，被强⾏唤醒后头脑短期内不很清醒。肌⾁仍然有⼀定的张⼒。
脑电波为较慢的⼤幅波（high voltage slow wave），频率0.5-2 Hz，叫德尔塔（δ）波，这个阶段的睡眠也叫慢波睡眠（slow wave sleep），单个神经细胞甚⾄可以0.3-0.4秒完全没有电信号。第4期为快速眼动睡眠，眼球快速转动，⼼跳和呼吸加快，脑电波频率增加，波幅减⼩，类似清醒时的脑电波，但是波形为锯⻮状。梦多在这个期间内发⽣。
⽽且全身肌⾁瘫痪（例如在梦中被⼈追时想逃跑却⽆法迈步），但在身体在瘫痪状态下⼜有突发的肢体抽动。（这个时期也是会被惊醒的时期）
睡眠从1期NREM开始，经过2期和3期，进⼊REM睡眠，然后⼜进⼊NREM睡眠，再进⼊REM睡眠，这样重复5-6次，即NREM睡眠和REM睡眠交替出现，每个周期约90-120分钟。第3期慢波睡眠的时间在第⼀个周期中最⻓，在后⾯的周期中逐渐减少。
睡眠剥夺会随后增加慢波睡眠的时间，所以慢波睡眠被认为有恢复神经系统功能的作⽤。与此相反，REM睡眠⼀开始⽐较短，持续5-10分钟，在后⾯的周期中时间逐渐增加，可以⻓达40分钟。
婴⼉的睡眠时间最⻓，在16⼩时左右，其中⼤约50%为REM睡眠（约8⼩时），到成⼈后睡眠时间缩短为8⼩时左右，REM睡眠的总时间也缩短到约2⼩时，因此REM被认为是与⼤脑的发育有关。学习新的技能后REM在睡眠中的⽐例增加，因此REM也可能与形成新的记忆有关。
REM睡眠和NREM睡眠并不只是⼈类特有的睡眠状态。科学研究的结果表明，其他动物，包括低等动物，也有相当于快速眼动期和慢波期的睡眠。有些动物站着睡，有些动物睁眼睡。REM睡眠和NREM睡眠在哺乳动物和⻦类中都被测到，在低等动物中也被测到。狗和猫在REM睡眠期间肢体会抽动。新⽣的⼤⿏和⼩⿏不但肢体会抽动，胡须也会抽动。眼球不能转动的动物如猫头鹰和地⿏也有REM特征的脑电活动。
⻢、⻓颈⿅和⼤象可以在NREM期间站⽴，但是在REM期间必须躺下。如果环境让⻢不愿意躺下，会由于肌⾁张⼒突然丧失⽽跌落地上，使身体受伤。鸭嘴兽（Ornithorhynchus anatinus）睡觉时也有快速眼动和嘴的抽动。⻦类的REM期间⾮常短，⼀般短于10秒钟。⻦类睡眠时也会有⼀部分肌⾁保持张⼒，在REM和NREM期间都能够站⽴，甚⾄⽤⼀只脚站⽴。
鸵⻦（Struthio camelus）在REM期间头也能抬着，说明鸵⻦的颈部肌⾁在REM睡眠期间仍然能够有张⼒。
鲸类动物如鲸⻥和海豚在⽔中⽣活，⼜必须不时浮出⽔⾯换⽓，不能够⻓时期睡眠。为了解决这个难题，鲸类动物发展出了两半⼤脑轮流进⾏慢波睡眠的机制，因此它们睡眠时有⼀只眼睁着以观察情况。海豚进⾏群体游泳时也可以半脑睡觉，这时处于群体边缘的海豚会将朝向群体的那只眼睁着，以跟上群体的游泳。海狗可以进⾏半脑睡眠，也可以进⾏全脑睡眠。在陆上进⾏全脑睡眠时可测到REM。
⽩冠麻雀（Zonotrichia leucophrys）能够进⾏半脑睡觉，使其在迁徙过程中⼀直保持清醒。绿头鸭（Anas platyrhynchos）也可以进⾏半脑睡眠。由于睡觉时位于群体边缘的绿头鸭最危险，它们就进⾏半脑睡眠，这样睡觉时也有⼀只眼睁着，⽽且朝着外部⽅向，以观察敌情。在群体内部的绿头鸭不担任警戒任务，就进⾏全脑睡眠，两只眼睛都关闭。
澳⼤利亚鬃狮蜥（Pogona barbata）的脑电波显示两种形式，⼀种是类似哺乳动物慢波的尖锐波形，另⼀种是活跃的脑电活动，同时眼球在关闭的眼睑中抽动，类似哺乳动物的REM睡眠。两种脑电波⾮常规律地来回替换，每80秒钟就变换⼀次。另⼀种蜥蜴，南美泰加巨蜥（Salvator merianae）也有与眼球抽动相关的特殊脑电活动。
幼年斑⻢⻥脑中也有两种电活动，⼀种是⼤范围同步电活动与静默期交替出现，其最低频率为0.01-0.1 Hz，与哺乳动物的慢波类似；另⼀种脑波伴随身体肌⾁的抽动，类似哺乳动物的REM脑波。
类似频率的慢波也在昆⾍脑中被测到，包括蛾⼦、蝗⾍、⻰虱、蜜蜂和果蝇。许多昆⾍如果蝇和蜜蜂，从幼年期到成⾍期，在睡眠时都有触须抽动。
跳蛛（Daniela Roessler）晚上睡觉时倒吊着，身体不动，但是其泌丝器（spinnerets）会摇动，腿也会抽动，类似哺乳动物的REM睡眠。在其⽣命的头10天，跳蛛幼⾍的头是透明的，⽤放⼤镜可以看⻅跳蛛的视⽹膜在抽动（跳蛛的眼⽤视⽹膜的移动来对应不同的视野），这种抽动有规律地持续发⽣，这相当于是跳蛛的REM睡眠。
墨⻥（Csepia officinalis）在清醒时能够变换身体的颜⾊，这是通过⽪肤上⾊素细胞的收缩与扩张⽽实现的。墨⻥睡觉时，在海底⼀动不动，眼睛关闭，身体颜⾊与图案也与环境相似。但是这种安静状态也会被触⼿和眼的抽动打断，⽽且身体的颜⾊和图案也迅速改变，似乎是在暴露，⽽不是隐藏墨⻥的存在，类似于哺乳动物的REM睡眠。类似的现象在章⻥中也可以观察到。
⽔螅的神经系统也有0.05-0.2 Hz的慢波。这些事实说明，具有REM特征的睡眠（频率⽐较⾼的脑电波或身体的⼀部分抽动）和NREM特征的睡眠（慢波）在各种脊椎动物和⾮脊椎动物身上都可以观测到，说明这两种睡眠状态在各种动物的睡眠中⼴泛存在。
通过对⼈类和动物们睡眠的研究，我们可以得出结论，⾸先，动物们普遍都具有REM特征和NREM特征的睡眠。其次，睡眠与神经系统之间的联系极为紧密，它不仅可能有助于神经系统的恢复，还可能与技能的习得和记忆的形成有关。
下期预告：为什么有的动物有神经系统？有的动物没有？神经系统的起源是什么？睡眠是如何演化出来的？要解答这些问题，得跳跃到⼤约5亿多年前的寒武纪，看看动物身上被捕⻝的伤⼝痕迹。睡觉跟动物之间的捕⻝有什么关系？请看下集。