發布時間：2023-04-04
編者按：腦科學對各種腦功能的解析、腦疾病的診斷治療、類腦智能和腦機接口的技術開發，都具有非常重要的意義，中科院之聲與中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心聯合開設“腦智擘未來”專欄，為大家解讀視覺、學習記憶、注意力、抉擇、意識、語言、共情、合作等日常生活中常見行為和現象的研究方式和科學發現。
試想，你躡手躡腳走進房間、走近床邊，看到同住者雖然安靜地躺著，眼球卻在快速運動，眼瞼上下跳躍。你以為她還沒睡著，輕聲對她說話，她沒回答。等你也打算躺下時她卻突然說：“哎呀，我剛做了個夢，可有意思了……”
這就是快速眼動睡眠，因為往往伴隨著生動的夢境，又被稱為“夢境睡眠”。人在做夢時并沒有睜開眼睛，為何卻能感受豐富的色彩、情緒、人物和場景？當我們入睡后，眼球仍然在微微地快速振動，它們是在“造夢”嗎？
01 何時有夢
1951年，芝加哥大學Kleitman實驗室里，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，讓他上下左右移動眼球。過了一會兒，Aserinsky發現信號出現密集的大幅震蕩，但兒子已經睡著了。他就這么捕捉到了“快速眼動睡眠”。這個發現正式開創了睡眠領域的神經科學研究1。
圖一 Aserinsky記錄到的睡眠中眼電和腦電的原始信號圖
（曲線自上而下 --- RV：右側垂直方向眼電；Resp：呼吸曲線；RH：右側水平方向眼電；Body Motility：身體運動；RF：右側前額葉腦電）
Kleitman實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睡眠和非快速眼動睡眠的不同階段（圖二）。從大腦的腦電波來看，快速眼動睡眠期間大腦高度活躍，有些大腦區域甚至比清醒時還要更活躍。研究者推測，這些豐富的大腦活動很有可能是構筑夢境的基礎。、
圖二 人的睡眠周期示意圖（圖片來源于網絡）
那么，夢境只發生在快速眼動睡眠中嗎？
為了回答這個問題，科學家們開展了一項名為“喚醒+夢境報告”的實驗：在被試者進入睡眠后，科學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歷夢境，如果有，則說出夢境的內容。大量實驗數據的統計表明人在非快速眼動睡眠中也會出現夢境，且夢境的內容往往較有邏輯，與人們白天經歷的事件有很強的關聯性，這可能是大腦在對白天的經歷進行整理歸檔；更多的夢境發生在快速眼動睡眠階段，這個階段的夢境往往包含強烈的情緒、生動的視覺場景、更離奇的事件等。
02 大腦怎樣造夢
在2011年的一項研究中，科學家通過正電子發射斷層掃描（PET）技術來記錄全腦的活動，并在被試進入快速眼動睡眠后喚醒他們，讓他們報告自己經歷的夢境內容2。然后，研究者進一步對夢境內容進行分類并與大腦的活動進行關聯。
不妨舉個例子，以下三種夢境情景對應不同的分類（圖三）：1.行李箱中的城市；2.在廚房的水池里發現了巨型的草莓；3.在黑暗中遇到危險、極力追上前面騎馬的人。
情景一體現了夢境場景和現實的分離，情景二體現的是視覺的變形；研究發現，這兩種夢境出現時大腦中負責視覺信息處理的神經通路——枕葉皮層到顳葉皮層高度激活，然而，大腦中負責更高級的、與邏輯推理相關的腦區——前額葉皮層的活動顯著下降。情景三中，人會產生的強烈恐懼情緒，這與大腦中的“恐懼中樞”杏仁核的激活有關。
圖三 快速眼動睡眠時期全腦神經活動變化（A）以及被試報告夢境內容舉例（B-D）2
03 眼動與做夢
在夢境睡眠期中我們身體的軀干肌電幾乎處于麻痹狀態，然而面部的一些肌肉仍可以活動，其中眼周的肌電活動會造成夢境睡眠中的快速眼球運動。那么，我們能通過揭示眼動的規律來幫助解析夢境嗎？
有科學家提出視覺掃描假說（“Scanning Hypothesis”），認為快速眼動睡眠中的眼球運動是人們在掃描夢境中的圖像，正如我們在清醒時通過眼球運動來調節視野探索世界一樣3。該假說得到了多項實驗證據的支持。比如，2022年來自加州大學舊金山分校的一項研究證實了眼動的發生可能與夢境中空間探索密切關聯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元5，并通過這群神經元的活動對小鼠的頭朝向位置進行實時解碼。有趣的是，研究人員發現快速眼動睡眠時期眼球的運動方向與實時解碼的頭朝向的運動方向是一致的！這說明夢境中的眼動并不是隨機發生的，而可能與運動探索中對不同位置的圖像進行觀察有關。
但也有研究持不同觀點，比如以色列特拉維夫大學的一項研究提出眼動代表夢境中的視覺場景切換。研究者通過同時記錄眼動和大腦中多個腦區的神經活動，發現夢境睡眠中眼球運動時的腦活動與清醒時看到新的圖像刺激時類似6。
04 還能怎樣窺探夢境
科學家們在快速眼動睡眠行為障礙（Rapid eye movement disorder, RBD）的疾病病人中做了一系列有意思的嘗試。1986年，美國的兩名醫生發現，一些有睡眠障礙的患者在快速眼動睡眠中報告有嚴重的暴力行為7，而且他們當時的肢體行為往往與喚醒報告中的夢境內容密切相關，比如：夢境中正在與人爭執打斗的患者在現實中會作出拳擊或蹬腿樣動作。
清醒夢則提供了另一種我們與夢中人直接對話的方式。有些人經過特定訓練能清楚地知道自己身處夢境，并對外界刺激做出一定反應。來自美國西北大學的Konkoly等人收集了36個清醒夢被試，記錄他們的腦電圖、眼電和臉部的肌電，當被試者進入清醒夢之后，研究人員給他們一系列的聲音、閃光或者觸覺刺激，讓他們結合夢境中的內容利用眼動或者臉部肌肉運動做出回答8。比如，被試者夢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），認為這是一個摩斯密碼，并通過左右4次眼動做出響應（圖四）。這種交互式夢境不僅說明眼動和臉部肌肉運動能夠反應夢境中的認知活動，同時也為研究夢境內容、進行夢境學習提供了全新的方式。
圖四 清醒夢實驗范式示意圖：被試在夢中對接收的聲光電刺激通過眼動或臉部肌電進行實時響應13
2022年中科院腦智卓越中心劉丹倩研究組發表在Nature neuroscience上的工作發現了小鼠快速眼動睡眠時除了具有眼動之外，還有豐富的咀嚼、抽鼻子和胡須運動9。綜合這些面部活動并進行定量化，研究者將快速眼動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和這兩個階段的聯系。這項研究搭建起了快速眼動睡眠期的行為表征和神經活動的橋梁，為未來研究夢境的神經機制奠定了基礎。
夢境無涯，“解夢”有路，我們期待著有更多關于夢境與睡眠的精彩發現。
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).
2. Desseilles, M., Dang-Vu, T., Sterpenich, V. & Schwartz, S. Cognitive and emotional processes during dreaming?: A neuroimaging view q. in (2017).
3. Arnulf, I. The ‘scanning hypothesis’ of rapid eye movements during REM sleep: a review of the evidence. Arch. Ital. Biol. 149, 367–382 (2011).
4. Senzai, Y. & Scanziani, M. A cognitive process occurring during sleep is revealed by rapid eye movements. Science 377, 999–1004 (2022).
5. Taube, J. Head direction cells recorded in the anterior thalamic nuclei of freely moving rats. J. Neurosci. 15, 70–86 (1995).
6. Andrillon, T., Nir, Y., Cirelli, C., Tononi, G. & Fried, I. Single-neuron activity and eye movements during human REM sleep and awake vision. Nat. Commun. 6, 7884 (2015).
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：中國細胞生物學學會神經細胞生物學分會
作者：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心董宇凡
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