《優雅老化的大腦守則》:為什麼人要睡覺?這些洞見對年老的大腦有重要關聯

《優雅老化的大腦守則》:為什麼人要睡覺?這些洞見對年老的大腦有重要關聯
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我們想讓你知道的是

電流的輸出改變了,分泌調整節律的荷爾蒙的能力消失了,上視神經叉核中產生節律的基因展現下降了。這些對睡眠和清醒都有可測量到的效應,尤其是褪黑激素和皮質醇的濃度。研究者認為這些改變對整個身體有廣泛的影響,最主要當然是影響你的一夜好眠,這是為什麼祖母無法一覺到天亮而孫子可以的原因。

文:麥迪納

抓住腦波節奏

這場神經上的足球賽——術語叫做相對歷程理論(opponent process theory) ——的特色在大腦的腦波,我們可用一種網狀的腦波儀來來偵測大腦表面的電流,藉此觀察到腦波。

白天由白隊完全掌控,你的大腦那時的電流形態叫做β波(beta wave,貝塔波);晚上當黑隊崛起時,β波就被比較放鬆的α波(alpha wave,阿爾法波)所取代,它使你愛睡,眼皮睜不開,最後你進入睡眠狀態。在這過程中,你的大腦往下經歷三個階段,逐漸到達深度睡眠(deep sleep)。這個最深度的睡眠特徵是腦波變得很大,叫δ波(delta wave,德爾塔波),這就是「慢波睡眠」(slow-wave sleep, SWS),在這個時候是很難把人叫醒的。我們的睡眠約九十分鐘一個週期(cycle),嬰兒約六十分鐘。

但是很難並不是不可能,事實上,在一個半小時之後,你的大腦會自動把你叫醒。很大、很慢的δ波開始退去,你開始沿著睡眠階段逐漸往回走,也就是說「越來越不想睡」。這時,你的眼球開始跳動,為什麼要跳,也沒有人知道,這個階段叫做「速眼動睡眠」(rapid eye movement, REM,又稱快速動眼睡眠)——事實上是速眼動睡眠一(REM-1)。它跟前面的深度睡眠在質上很不同,因此前面的睡眠叫做「非速眼動睡眠」(non-REM sleep,又稱非快速動眼睡眠)。在速眼動期你比較容易被叫醒。

但是如果一切正常的話,你不會醒來,黑隊會繼續主導局面,你經歷速眼動睡眠一陣子後,又重複前面三個階段,進入深度睡眠,大而祥和的δ波再度出現,使你在那裡再睡六十分鐘。

前面為什麼說速眼動睡眠——(REM-1),是因為它只是你那天晚上經歷很多階段的第一個,你基本上還會再經歷四個速眼動睡眠,那一夜才會過去。每一個速眼動睡眠後面都伴隨一組深度睡眠,只有在第五個速眼動睡眠之後,白隊才開始反攻,從黑隊手中奪回賽場,讓你開始白天的工作。兩隊之間的擺盪完全沒有暫停時間,不會插播廣告,即便你是千百個不願意,白隊白天就是要叫你起來,黑隊晚上就是要叫你睡覺。

直到你步入老年,情況開始有所不同。它們還是想維持這個你來我往的節奏,但是越來越力不從心。

上面是我們怎麼睡覺,但是為什麼要睡覺呢?這個答案就像你心情不好一樣的明顯。當你不睡覺時,你脾氣暴躁、容易生氣,一點小事就跳起來,最主要的是,你覺得累。所以睡眠一定跟充電、恢復體力有關,對嗎?

錯,至少一部分錯。生物能量的分析顯示睡覺時,只有節省一百二十卡路里的能量,等於一碗湯的熱量,而這都要怪你的大腦,因為它用掉你攝取能量的百分之二十,而且為了讓你活命,它得一天二十四小時、一週七天待命,全年無休。只節省一碗湯的能源實在不怎麼樣,所以恢復體力不是我們睡覺的原因。

那麼,為什麼我們要睡覺呢?從演化的觀點來看,在東非大草原上,即使躺下來睡十分鐘都是不智之舉,尤其在黑夜。然而,我們卻每天都躺在大草原上,麻痺不動幾個小時,而這個期間正是花豹出沒的時間,為了節省一百二十卡路里,這代價未免太大了。

直到最近,研究者才找出一些端倪,這些洞見對我們年老的大腦有很重要的關係。本章就兩個最大的突破點來談一下,我們為什麼要睡覺。

睡覺是為了學習(第一重大發現)

第一個突破來自記憶的研究。如你所知,你的大腦白天忙著記錄各種活動,有些可以忘記,有些很重要,有些需要時間做進一步的處理。你的記憶系統不停地在工作,大腦至少有兩個區塊在忙記憶的事情。

第一個是皮質,是大腦最外層的組織,像包裝紙一樣包覆著腦,跟智力有關。第二是海馬迴,我們前面經常提到這個形狀像海馬、深藏在皮質下的結構。這兩個地方彼此有神經迴路密切連接,當記憶形成時,電流在迴路上跑來跑去,像青少年在傳簡訊一樣互相交流。這個電流活動把記憶的碎片保留住,稍後再來進一步的處理。

稍後是什麼時候呢?科學家現在知道是「稍後的那天晚上,慢波睡眠的時候」。在你深度睡眠的時候,你的大腦重新活化白天的記憶,把那個貼著「稍後處理」的記憶拿出來,接著大腦會重複白天的電流形態幾千次來強化連接,固化這些訊息,這叫離線處理(offline processing)。假如你不重新活化這些記憶,這些記憶就不能保存太久。

這些研究發現無疑給我們投下一顆震撼彈,所以你需要睡覺不是為了休息而是為了學習。晚上當你眼睛閉上,沒有外界的訊息進來轟炸你、跟你搶注意力的資源時,是處理白天來不及處理的訊息的最好時候。

研究也發現睡眠有助於其他的功能,如幫助消化、維持免疫系統活躍。我們終於慢慢開始了解人為什麼要睡覺,不是因為我們需要休息(rest),而是我們需要重新啟動(reset),當你休息的功能出問題,重新啟動就變成一個挑戰了。

很不幸,這就是你年老時的狀況。

慢效應的酸液

我在樓下有個盒子,每次我看到它都會沮喪,因為裡面是我孩子小時候的錄影帶。

為什麼要沮喪?並不是因為影片的內容,那些錄影帶是我最珍貴的記憶,我會沮喪是因為影片的儲存方式,是VHS格式。我最近才發現,如果我把這些帶子留在原來的地方,就等於把它放在慢效應的酸液中,它們會開始化學侵蝕,隨著時間逐漸流失裡面的訊息。這種自然的分解並不是馬上產生,它跟環境的因素有關,如溫度、濕度。假如我什麼都不做,裡面的訊息就會流失——正確來說是會變得破碎。若儲存在六十度的溫度(假設濕度是合理的),十六年後,帶子會碎掉;若是增加溫度到七十度,那麼八年帶子就碎掉。而我最老的帶子是十九年,你說我怎麼會不沮喪?

老化就跟自然的風化一樣,不論你的訊息是儲存在磁帶裡,或是儲存大腦的認知歷程中,都會受到自然風化的損壞。而睡眠的歷程也不能免疫。簡單的說,睡眠歷程也會退化,就像是你大腦中的 VHS錄影帶一樣,你的睡眠也變得破碎了。

尤其慢波睡眠在你年老後會減少。在你二十幾歲時,你晚上大約花百分之二十的時間徜徉在療癒的慢波中,讓它修補你的身體。但是到你七十歲時,你的慢波睡眠只剩下百分之九,而處理記憶、清除垃圾都得在慢波睡眠時進行,你就了解睡眠的必要性了。

為了說明睡眠的改變,我舉一個典型的夜晚休息為例,比較兩個人的睡眠,一個年輕、一個年老。

假設一個慈祥的祖母和她二十歲的孫子諾亞,都在晚上十一點鐘上床睡覺。十分鐘以後,孫子順利地進入非速眼動睡眠,在午夜十二點以前已經悠游於慢波之中了。

祖母也做同樣的事,但歷程就沒有這麼平順。她一樣由淺入深地睡覺,但是在進入第二階段的非速眼動睡眠時,她突然好像從睡眠的波浪中起來換氣,在晚上十一點半左右醒了過來。現在她要重新入睡。她也在午夜之前到達了慢波睡眠,但是跟諾亞不同的是,她在慢波睡眠停留得不久,十二點半時她又醒來了,又得重新入睡。她像乒乓球一樣,往返整夜,最後一次到達慢波睡眠約是凌晨兩點半,假如她真的有到的話。她的經驗叫做碎片睡眠(sleep fragmentation)。諾亞就不一樣了,他很平順的經過了四到五次的非速眼動/速眼動睡眠週期,在慢波的海洋裡愉快地游了四次,一覺睡到天亮。

又是什麼因素控制著諾亞和他祖母的睡眠經驗呢?要說明這一點,我得帶你去科羅拉多州(Colorado)的波德(Boulder)走一遭。

控制全世界的小鐘

在科羅拉多州的群山中,埋著一個小小的機器,它的摧毀力比世界上所有的核子彈綜合起來還更強,假如這項科技停止運作,人類文明將會變成人質。警察、消防和緊急救護的溝通系統會突然中斷;供電系統會失去同步性,然後超載,造成全世界的災難性停電;華爾街和全球金融部門會突然動彈不得,好像癲癇發作一樣;高速市場交易會凍停在數字燈上;衛星通訊會中斷,導致飛機飛到一半不知身在何處,假如你在用手機的衛星導航開車的話,你也會不知道你在何處。不過無所謂,反正電話本來就不通了,你的手機也只能拿來玩之前下載的《憤怒鳥》。整個文明會像瘸了瞎了似地停擺。

什麼樣的毀滅儀器有可能讓現代人類經驗付出這麼大的贖金?這答案似乎平淡無奇,埋在科羅拉多山中的是一個小鐘,驅動它的引擎只有一個原子的大小,這個東西叫做NIST-F2,是世界上最準確的原子鐘(atomic clock)。它利用銫(cesium)原子內部的天然振動來決定什麼是「秒」,全世界大多數的基礎設施都要和它同步,只要它無恙,世界文明就可以蓬勃發展。這個強大的計時器要三億年才會誤差一秒。

你的大腦內部也深埋著一個小小的神經組織,只有兩萬個神經元而已,叫做上視神經叉核(suprachiasmatic nucleus, SCN,又稱視交叉上核),位在你眼睛後方幾英寸的地方,掌管著你身體的心律調節器,相當於掌管著人類文明的銫原子鐘。它是透過電流的輸出、荷爾蒙的分泌和基因展現的型態來決定它的天然節律,而且是可以測量得到的。這些細胞的節律本能之強,強到你可以把它們從大腦中抽出,放在培養皿中,它們還是會依二十四小時的週期有節律地跳動。它們控制著科學家稱之為人身體的晝夜系統(circadian system)。

而它就是為什麼你不能像過去一樣睡個好覺的原因。

這個晝夜系統就像一個故步自封的獨裁者一樣獨立運作,然而它的行程卻是可以改變的——這是我們有一點點能力可以控制睡眠的原因。上視神經叉核直接從眼睛接受白天的訊息,透過視網膜投射(retinal projection)感應光線,能幫助上視神經叉核調整自己的節律和地球自轉同步。接著上視神經叉核用這些資訊使你在晚上昏昏欲睡、白天維持清醒。(這個功能不是控制睡眠的唯一因素,身體的核心體溫等等也很重要。上視神經叉核也不是只有控制睡眠,壓力荷爾蒙皮質醇也受到嚴格的晝夜節律控制,消化也是。這是因身體各處還有許多其他的生理次時鐘〔sub-clock〕,它們會跟上視神經叉核相互聯繫,以達到節律的同步,就像你的手機會跟銫原子鐘同步一樣。)

那麼,上視神經叉核如何控制睡眠呢?這個才華洋溢的神經結跟大腦很多區域都有互動,包括腦幹(brain stem),這是產生睡眠週期最重要的地方。上視神經叉核透過荷爾蒙如退黑激素(melatonin,又稱褪黑激素)來調節人體的生理時鐘。

這個荷爾蒙並不是由上視神經叉核所製造,而是由位於它後面幾英寸、豌豆大小的松果體(pineal gland)所製造。晚上的時候,上視神經叉核會把松果體的開關打開,褪黑激素就流到血液中,一整夜在血液中循環,直到第二天早上九點左右濃度才大為降低。

失去你的節律

為什麼當我們年紀大了,睡眠會從平順變成碎片?研究者發現老化的大腦有幾個有趣的變化,都跟晝夜節律(circadian rhythm)有關,而且大部分跟上視神經叉核有關。

其實老化並沒有影響上視神經叉核的神經元數量或它的整體大小,如果能把祖孫兩人的上視神經叉核拿出來檢視的話,你會發現,從外表其實分不出來哪個是祖母的、哪個是孫子的。

但是內部結構就不一樣了,大部分跟上視神經叉核有關的節律系統因年齡而改變了。電流的輸出改變了,分泌調整節律的荷爾蒙的能力消失了,上視神經叉核中產生節律的基因展現下降了。這些對睡眠和清醒都有可測量到的效應,尤其是褪黑激素和皮質醇的濃度。研究者認為這些改變對整個身體有廣泛的影響,最主要當然是影響你的一夜好眠,這是為什麼祖母無法一覺到天亮而孫子可以的原因。

這對祖母有沒有大礙呢?碎片式的睡眠對祖母的認知有傷害嗎?過去研究者會說「有的」。睡眠認知假設(sleep cognition hypothesis)過去認為大部分跟年齡有關的認知缺失可以歸因到睡眠不足,但是它被稱為「假設」就表示未被證實。最近仔細的檢視發現睡眠認知假設太過簡單,甚至趨近錯誤。研究者一開始以為年輕人的數據可以套用到老人身上,下面兩個例子可以清楚說明這個錯誤。

  • 記憶

就像一首歌在你腦海中不停播放一樣,大腦在晚上會把白天發生的事拿出來一次又一次地重播。我們前面有談過這個現象,說它可以幫助記憶固化,形成長期記憶。後來的研究發現這個好處只發生在六十歲以下的人身上,之所以如此,是因為他們發現大腦裡有個皮質紋狀體網路(corticostriatal network)會隨著年齡而改變。這個網路包含跨越左腦與右腦的迴路,且通常負責調節跟目標導向行為有關的感覺。在老人身上,這些迴路不像年輕時那麼活躍。當研究者用測試年輕人的測驗,去測試老人大腦的離線處理技術時,發現老人並沒有享受到年輕人的那種好處。

  • 執行功能

睡眠不足跟缺乏許多社交上的潤滑行為有關,包括執行功能。這個發現來自睡眠剝奪(sleep deprivation)的研究,受試者大部分是自願的美國大學生,而許多研究者就假設老人家也會有相同的缺陷。但是他們沒有,老人的睡眠剝奪實驗並沒有顯示超過基準線的執行功能缺失,包括測量衝動控制、工作記憶和注意力聚焦。

為什麼睡眠不足不會傷害老人家?有些研究者認為自然老化所帶來的認知缺失已經差到底,所以無法再差了。認知損傷已經完成,已到達最低點,要再壞也沒地方可壞下去,這叫做「地板效應」(floor effect)。不過同樣的道理,他們也好不起來、就是這樣了。

不過情況並非如此無望,甚至用地板效應來解釋也是個錯誤。《舊約聖經》中的一則故事給了我們一個正確方向。

早早開始

你可能還記得《聖經》中的約瑟,他是雅各的倒數第二個兒子,也是埃及帝國僅次於法老的最高官員。他之所以得到這個位子,是因為在一場世界上最奇怪的工作面試中,他替法老王解釋了兩個非常費解的夢。第一個夢跟牛有關,有七頭母牛從尼羅河中走出來,牠們長得又肥又漂亮,一副懶洋洋,上岸後啃著旁邊的草地。緊接著有七頭醜陋的牛也出了尼羅河(《聖經》上引用法老王的話:「我從來沒有看過這麼醜的牛!」),這幾隻瘦得皮包骨,看樣子在打架。接著好像史蒂芬.金(Stephen King)的恐怖小說情節,這些瘦牛搖身一變成為獵食者,攻擊牠們肥美的同胞,把牠們吃掉。第二個夢也是一模一樣的恐怖劇本,只不過換了主角(是七枝會兇殺同類的麥穗)。約瑟正確地解夢,指出這兩個夢代表了警告,埃及將會有七年的豐收,然後七年的飢荒,假如人們要想存活下去,他們得早早耕地,儲存糧食,以備荒年之需。

所以他得到了這個職位。

我們學到什麼呢?為了減少老化後片斷式睡眠對我們的影響,要未雨綢繆。假如你不想老的時候認知功能衰退,你得在中年的時候養成好的睡眠習慣。

這就是睡眠研究者史考林(Michael Scullin)的想法。他和一位同事閱讀了過去五十年的睡眠論文,從中尋找睡眠型態,他們用下面這幾句來綜合他們的發現:

維持好的睡眠品質,至少在你年輕和中年時就要養成這個習慣,這會提升你的認知功能,保護你在老的時候不受認知能力下降的傷害。

現在就養成好習慣,等到認知的荒年來臨時,就會看到好處。

相關書摘 ▶《優雅老化的大腦守則》:阿茲海默症最珍貴的研究貢獻,來自一群修女

書籍介紹

本文摘錄自《優雅老化的大腦守則:10個讓大腦保持健康和活力的關鍵原則》,遠流出版
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作者:麥迪納
譯者:洪蘭

老化不是疾病,就像青春期不是病一樣,他是一個自然的歷程。此書還告訴我們一個好消息:你的確會越老越聰明,尤其是語意記憶(字彙庫)和程序記憶。老人的大腦仍然有彈性,也有可塑性,我們可以把這種豐富的反應模式叫做「智慧」(wisdom)。就像喬治‧柏恩斯的生活給我們的啟示 : 他在八十歲時還因熱門電影《噢,上帝啊!》(Oh, God!) 贏了一座奧斯卡金像獎。

這個受人矚目領域現在叫做「老人學」(geroscience)。作者以幽默流暢的筆觸,帶領讀者進行一趟奇幻的腦內探險,有科學理論和觀察,讓你輕鬆就能明白大腦科學豐碩的研究成果。每個章節也都依據大腦運作的方式,提供一些具有創意的點子,有些方法一點都不困難,讀完會讓人迫不急待地想運用在生活中。

10個讓大腦保持健康和活力的關鍵原則

  • Be a friend to others, and let others be a friend to you(做人的朋友,也讓別人成為你的朋友)
  • Cultivate an attitude of gratitude(耕耘感恩的態度)
  • Mindfulness not only soothes but improves(正念不但撫慰,同時增進我們的大腦功能)
  • Remember, it’s never too late to learn – or to teach(記住,學習永遠不嫌晚,教導別人也是)
  • Train your brain with video games(用電玩遊戲訓練你的大腦)
  • Look for 10 signs before asking, “Do I have Alzheimer’s?”(在你問 : 「我有沒有得阿茲海默症?」之前,先看看你有沒有十個症狀)
  • MIND your meals and get moving(注意你的飲食,起來動一動)
  • For clear thinking, get enough (not too much) sleep(思考要清晰,先要睡得飽,但不要睡太多)
  • You can’t live forever, at least not yet(你不能永遠活著,至少現在還不能)
  • Never retire, and be sure to reminisce(永遠不要退休,而且一定要緬懷往事)

依照以上10條大腦守則努力去做,便能優雅、不成為別人負擔的老去。

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Photo Credit: 遠流出版

責任編輯:潘柏翰
核稿編輯:翁世航


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