「睡眠恆定」聽起來很專業,其實說白了就是「睡眠債」

「睡眠恆定」聽起來很專業,其實說白了就是「睡眠債」
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我們想讓你知道的是

了解睡眠背後的生物原因,可以幫助我們自己矯正行為,或是不被網路謠言蠱惑。補眠還得是睡眠債,但如果忘了生理時鐘扮演的角色,那補完眠還是會不舒服,對健康也有影響。

甚麼是睡眠?想不到也真是個大哉問,不同時代有著不同的看法。

在古希臘時代有人認為睡眠是人在白天活動時,體內產生的代謝產物所引發的中毒現象。15、16世紀時又有人提出睡眠是血液衝到腦部,對大腦造成壓力,引發大腦暫時關閉的狀態。20世紀時有了腦波圖儀(EEG)後,科學家才認識到睡眠時的大腦,並不是百年來人們所猜想的那樣:睡眠是一種主動過程,由大腦中專責睡眠(sleep center)及覺醒(arousal center)的中樞管理。

睡眠(sleep)和休息(rest)似乎是容易相互混淆的兩種行為。我們靈長類的睡眠比較鞏固,不太會混淆;但像齧齒類老鼠等動物,他們的睡眠斷斷續續的,就不太好釐清他們是在休息還是在睡覺。透過外顯行為(phenomenology; what they look like)、控制機轉(mechanism; how they are controlled)等等方式,睡眠大致來說可以有以下幾個特質:

  1. 與休息不同,睡眠發生時,比較不容易醒(an elevated arousal threshold)
  2. 但又與麻醉、冬眠、和死亡不同,可以透過外力快速回復清醒(rapid reversibility)
  3. 很多物種甚至有特定的行為模式:他們會準備好他們要睡覺的巢/床,然後有固定的睡眠姿勢(preparatory behavior and a characteristic posture)

神經科學家們透過測量大腦放出的微弱生物電(EEG),又把睡覺再細分成「快速動眼期」(Rapid eye movement (REM) sleep)和「非快速動眼期」(Nonrapid eye movement (NREM) sleep)。

睡眠債

睡覺受到日約節律/生理時鐘(circadian rhythm)和睡眠恆定(sleep homeostasis)兩個系統的共同調控。關於生理時鐘的簡介,可以參考之前投稿在關鍵評論的文章,這裡就不贅述了。

「睡眠恆定」這個專有名詞好像很專業很高深,但其實說白了就是「睡眠債」。顧名思義,清醒的時間越久,睡眠債就越高;入睡後,隨著睡眠時間的增長,睡眠債也跟著降低。

當睡眠債債台高築時,一種內在想睡覺的驅動力(睡眠壓力)也讓人覺得越來越勢不可擋。而這股想睡覺的慾望,可不只是單純的感覺而已。

腺苷(adenosine)是細胞使用能量後代謝的產物。細胞使用的能量是ATP,被過用的ATP會變成能量較低的ADP,然後是能量更低的AMP,最後變成能量最低的腺苷(adenosine)。  

隨著清醒時間越久,腺苷在一些腦區(包括睡眠中心)累積的濃度就會越高。原本抑制睡眠中心的神經元(GABAergic inputs)上有接受訊息的接收器,這些睡眠債就會關閉這些神經元,而睡眠中心也就從原本的抑制狀態被解放而活化(disinhibition)。所以睡眠壓力不只是單純的感覺而已,而是真的有能量代謝後的產物累積。

咖啡因的化學結構和睡眠債非常接近,但卻是冒牌貨,會跟正牌的睡眠債搶接收器,所以睡眠債就沒法順利地與抑制睡眠中心的開關結合,因此能有「暫時」抑制睡眠慾望的效果。但別忘了,睡眠債還是累積在大腦裡,而且因為喝了咖啡而沒去睡覺,這個債台就築更高了。一旦咖啡因被身體代謝掉,睡眠債就會立刻反撲,所以喝咖啡是個治標不治本的方法。對於過勞(睡眠債築太高)的人,咖啡的效果也是打折扣(需要更高的濃度或是更頻繁的補充)。

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疲倦時就來杯咖啡提神?咖啡因的化學結構和睡眠債非常接近,但卻是冒牌貨。

睡眠債高倒頭就睡

生理時鐘和睡眠恆定系統會彼此溝通影響,但一般來說(實驗室的標準環境/平常作息規律的人),生理時鐘會決定想睡的時間和接下來清醒的時間:如果睡覺的時間晚於平時習慣就寢的時間,在隔日差不多的時間睡眠還是會被這個內在的時鐘中斷而醒過來(因賴床然後又睡著了不算)。

換個角度來說,之前清醒時間的長久(睡眠債的高低)並不會影響之後睡醒的時間(前提是,個體在延長的清醒時間中,不能受到光或是食物等外在刺激影響生理時鐘系統)。

如果生理時鐘主要是掌管(gating)睡覺和清醒的時間,那睡眠恆定的主要影響是甚麼?

睡眠債會讓我們更快進入睡眠,以及在補眠過程中比較不易被叫醒。每個熬夜K書的學生都有體驗過這樣的經驗:一整個晚上都沒睡,隔天早上其實精神很OK,甚至有點亢奮。但考完試後到了下午,想睡的感覺是排山倒海(高睡眠債),立刻想去補眠。當然隔日的症狀就會像是坐飛機的時差一樣很不舒服(因為生理時鐘被打亂了),而且年紀越大越慘。這時候的補眠通常都是補NREM,所以這種補眠不會作夢,你的大腦會真的好好的休息。

雖然這兩大系統是強而有力的系統,但生物行為都有它的彈性,而且我們的作息環境也沒有這麼單純:進食時間(宵夜,feeding stimuli)、鬧鐘、老媽催你去睡(social cues)和睡前滑手機的螢幕藍光(light stimuli)等外在因子,都會影響我們的作息,而這些外力也都被證實會把我們的生理時鐘往前調或往後調,進而影響入睡的時間、睡眠的品質與隔日清醒的時間。而因為上學或上下班,你可能還沒睡飽就被迫起床(社交時差),所以睡眠債也就還不清了(關於社交時差的簡介,可以參考之前投稿關鍵評論的文章)。

大腦中有個控制睡眠/清醒的開關

大腦有睡眠中心及覺醒中心,確保我們獲得必要的睡眠,而且會再次甦醒過來。而生理時鐘和睡眠恆定,會彼此溝通調控這兩個中樞。

現在普遍接受的理論是,睡眠中心和清醒中心就像是電燈開關一樣,開關往一邊撥是睡眠,而往另一邊撥是清醒(The-Flip-Flop Switch)。

疾病是我們醫學領域想打敗的對手,但同時也是推動我們進步的來源:前端下視丘受損(anterior hypothalamic damage)的病人通常伴有失眠(insomnia)的症狀;而後段下視丘受損(posterior hypothalamic damage)的病人則受嗜睡(hypersomnia)所擾。進一步的實驗因此提出了一些腦區做為可能的大腦睡眠中心及覺醒中心【註】。

註釋:目前被普遍承認的「睡眠中心」與「覺醒中心」,

  1. 睡眠中心: 神經傳導物質主要是抑制型的GABA,腦區包括了ventrolateral preoptic area(VLPO)、median preoptic nucleus(MnPN)和basal forebrain(McGinty and Szymusiak, 2003, 2011; Jones, 2004)
  2. 覺醒中心:神經傳導物質主要包含了orexin、acetylcholine或monoamines(histamine, serotonin, norepinephrine, dopamine),腦區包括了basal forebrain、perifornical和lateral hypothalamus、tuberomammilary nuclei(TMN)、midbrain和pontine reticular formation(McGinty and Szymusiak, 2003, 2011; Brown et al., 2012)

有了這些腦區,就可以追蹤他們的神經分布。科學家發現睡眠中心的觸手深入覺醒中心,而覺醒中心也將腳踩在睡眠中心上:透過抑制的機制,睡覺時,睡眠中心會抑制覺醒中心;清醒時,睡眠中心則是被覺醒中心抑制著。

這樣的開關機制(當開關轉向一邊時,這一邊的中心會抑制另一邊的中心)讓睡眠-清醒狀態之間的轉換時間變很短,確保我們不必花上半天迷迷糊糊地從睡覺轉為清醒,然後又花上另外半天的時間,慢慢走進夢鄉,浪費可以睡眠的時間。但缺點也是顯而易見:當某一邊因為外在因子或是疾病,而在不對的時間有優勢時,另一邊的中心是很難扳回一城的。

開車想睡覺的掙扎就是這樣,你需要你的注意力來安全駕駛,但是瞌睡蟲就是不放過你,最後你可能會不時放空(微睡眠,micro-sleep),直到你被驚嚇(比如說開歪了或是被按喇叭,但通常還是撐不久),或是到休息站下車動動好好休息了一下才轉好。所以這個開關機制有它的演化上的優勢(減短狀態之間轉換時間),但在現在的文明裡,卻可能造成致命的危險(開車時停不下的打瞌睡)。

結語

即使我們知道被打亂的生理時鐘和債台高築的睡眠債會讓我們很不舒服,長久下來更是一種慢性壓力,讓我們發胖、對心血管有害、影響工作表現等等,卻仍有太多的外在因素,讓我們沒法在對的時間好好睡上一覺。

拜文明與社會結構所賜,睡眠對於一些族群(熬夜準備考試或是值夜班)可能是無可奈何的犧牲品,對於另一些族群(熬夜打電動等等)可能是揮霍的本錢,對疾病纏身的族群而言,則是不可求的奢侈品。不適當的睡眠行為不僅打亂了生理時鐘,也讓睡眠債沒辦法還清。

了解睡眠背後的生物原因,可以幫助我們自己矯正行為,或是不被網路謠言蠱惑:比如說,在睡眠充足的條件下,固定時間睡比睡得早更重要;所以對成年人而言,偶爾早點睡並沒有真的比固定12點睡來得健康。比如說,補眠還睡眠債,但如果忘了生理時鐘扮演的角色,那補完眠還是會不舒服,對健康也有影響。比如說,開車打瞌睡時,最好的方法真的是停下來休息,捏大腿或硬撐都不是安全的權宜之計。

參考文章

  • Hypothalamic regulation of sleep and circadian rhythms, Nature 437, 1257-1263 (27 October 2005) | doi:10.1038/nature04284
  • Sleep and circadian rhythms: do sleep centers talk back to the clock? Nature Neuroscience 6, 1005 - 1006 (2003) doi:10.1038/nn1003-1005

本文經王輝斌授權刊登

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航