我們來到這個地球是為了生活是不真實的。我們來只是為了睡覺，做夢?！⑵澨乜嗽?/p>

人類一直想知道我們?yōu)槭裁匆X。早在伽利略想預測鐘擺的周期或了解物體下落的速度之前，一個充分休息的史前頭腦可能會思考這個問題。為什么我們必須將自己置于這種潛在的危險狀態(tài)，這種狀態(tài)會消耗我們大約三分之一的成年生命，甚至更多的童年？我們不會勉強地這樣做——為什么我們和狗、獅子和幾乎所有其他動物一樣，顯然喜歡它？與測量鐘擺周期不同，科學家們必須等待更長的時間才能獲得可靠的答案，因為在陌生人觀看的情況下睡覺并不容易。這樣做涉及為人類建立睡眠障礙診所和復雜的結(jié)構(gòu)，例如鴨嘴獸，以觀察鴨嘴獸的 REM（快速眼動）睡眠。

在過去的幾十年里，有關(guān)不同物種以及人類從出生到成年的睡眠狀態(tài)持續(xù)時間的大量數(shù)據(jù)被收集起來。這些發(fā)現(xiàn)還與潛在的相關(guān)因素相一致，例如褪黑激素、大腦大小、代謝率、壽命以及促進睡眠的基因和神經(jīng)元。即便如此，直到最近，我們還缺乏可以預測的定量理論，例如，為什么老鼠每天的睡眠時間大約是鯨魚的 10 倍；為什么嬰兒人類的睡眠時間大約是成年人的兩倍？為什么 REM 和總睡眠時間隨著嬰兒體型的增長而變化得比它們在不同物種之間的體型差異相似時的變化要快得多；以及為什么溫度會影響果蠅等冷血動物的睡眠時間。

我們的工作已經(jīng)開始填補這一空白。借助一種新的數(shù)學方法來解決我們?yōu)槭裁此X的問題，我們的框架帶來了理解睡眠數(shù)據(jù)和回答其基本問題的全新方法。許多早期的研究可能已經(jīng)失敗，因為他們更專注于對睡眠的無數(shù)方面和特性進行分類，而不是確定它的用途。相比之下，由我們的方程預測并由經(jīng)驗數(shù)據(jù)支持的規(guī)律模式，源于我們對確定睡眠主要功能的關(guān)注。通過深入了解新陳代謝的作用和大腦的特殊狀態(tài)，我們發(fā)現(xiàn)了睡眠功能從嬰兒期到成年期的突然而令人驚訝的轉(zhuǎn)變，

一世1894 年，俄羅斯最早的女醫(yī)生之一瑪麗·德·馬納塞因 (Marie de Manacéine) 發(fā)表了一篇引人注目的論文，表明當幼犬完全睡眠不足時，它們會在幾天后死亡。她的實驗是在 10 只小狗身上進行的，這些小狗的年齡從 2 個月到 4 個月不等，它們由它們的母親喂養(yǎng)，并得到很好的照顧。作為控制措施，她剝奪了其他小狗的食物但不剝奪睡眠。這些狗在饑餓 20 到 25 天后可以恢復健康，而那些被剝奪睡眠的狗只在 4 到 6 天后就“無可挽回地失去了”。她的結(jié)論很明確：“對動物來說，完全沒有睡眠比完全沒有食物更致命”。

盡管她的方法不符合現(xiàn)代倫理或?qū)嶒灅藴?，但她的結(jié)果已被其他觀察和隨后幾年更嚴格的研究證實：長期睡眠剝奪不僅會導致狗的死亡，還會導致老鼠、果蠅和甚至人類也可能是因為一種被稱為致命失眠癥的疾病。這種可怕的綜合癥包括逐漸惡化的失眠狀態(tài)，導致在一兩年內(nèi)死亡。這是朊病毒蛋白編碼基因突變的結(jié)果，類似于更為人所知的“瘋牛病”。沒有已知的治療方法。

每晚睡眠不足 6 小時的人死亡風險高13 %，正如 Manacéine 在她論文的開篇所說：“這類事實清楚地表明，睡眠不足會產(chǎn)生最有害的影響?！?除了致命的失眠，睡眠剝奪總是會導致意識狀態(tài)的改變，表現(xiàn)為記憶力減退、意識模糊、易怒、幻覺、抑郁甚至癡呆等功能障礙。對因睡眠不足而死亡的動物進行的檢查顯示嚴重的腦組織損傷，包括局部出血和腦神經(jīng)節(jié)變性。然而，睡眠剝奪繼續(xù)被用作審訊工具，其支持者聲稱這不是“酷刑”。

充足的睡眠是身體健康的關(guān)鍵因素——與良好的營養(yǎng)一樣重要——這一想法是許多社會遲遲未能接受的。現(xiàn)代生活方式的壓力和節(jié)奏當然不鼓勵健康的睡眠習慣，無論是來自工作壓力還是無處不在的焦慮引起的失眠增加。也許從COVID-19大流行中出現(xiàn)的少數(shù)積極因素之一是，醫(yī)生和健康專家一直在公開敦促人們獲得充足的睡眠，以維持和促進強大的免疫系統(tǒng)。

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無論是個人還是集體，我們中的許多人一直不愿承認睡眠對我們的長期健康至關(guān)重要。平均而言，每晚睡眠時間少于 6 小時的人的死亡風險比睡眠時間在 7 到 9 小時之間的人高13 %。由于較高的死亡率和較低的生產(chǎn)力，普遍的睡眠剝奪估計每年給美國經(jīng)濟造成超過4000 億美元的損失。在光這些影響，這是令人驚訝的是沒有包括的28個研究機構(gòu)的美國國家衛(wèi)生研究院明確專門的睡眠，有些來自專門的睡眠障礙的一種國家中心來最大幅度的支持研究安置的內(nèi)美國國家心肺血液研究所。這反映了睡眠研究在學術(shù)界和醫(yī)學界發(fā)揮的作用相對較小，至少直到最近。雖然沒有“國家睡眠研究所”，但至少睡眠研究開始在全球范圍內(nèi)得到更積極的支持和追求。

近年來，神經(jīng)生物學研究揭示了許多與睡眠有關(guān)的潛在機制。荷爾蒙、細胞和酶——它們的活性和表達水平在睡眠期間以及睡眠和清醒狀態(tài)之間變化——都已被確定。我們已經(jīng)學到了很多關(guān)于睡眠的生理學、解剖學和生物化學。從這個意義上說，當我們說我們了解我們?yōu)槭裁此X時，我們真正的意思是我們了解是什么讓我們昏昏欲睡，我們?nèi)绾嗡X，以及睡眠不足會導致哪些功能障礙。

但所有這些都沒有回答更基本的問題，即為什么我們首先需要睡覺。睡眠的功能究竟是什么？我們一生中大約有三分之一的時間都在睡覺，但我們不知道為什么需要這樣做。如果我們盡量不這樣做，可怕的后果就會隨之而來。為什么我們每晚需要大約八小時的睡眠，而只有三到四個小時（如大象）或少于兩個小時（如抹香鯨）就無法度過？隨著我們從童年到成年，為什么我們的睡眠需求會從嬰兒時期高達16 小時左右（與小得多的老鼠或鼩鼱的睡眠相比）減少到標準的 8 小時到期？這些不同的時間尺度從何而來，為什么？

了解睡眠的起源尤其令人煩惱，因為睡眠似乎幾乎沒有任何進化優(yōu)勢。恰恰相反：如果一個有機體不需要，為什么會進入無意識、脆弱的狀態(tài)幾個小時？存在應對夜間的問題，所以也許睡眠進化只是為了適應黑暗的挑戰(zhàn)。另一方面，許多動物是夜間活動的。此外，老鼠和鼩鼱等哺乳動物的睡眠時間比夜晚的長度要長得多；其他動物，如大象和鯨魚，則要少得多。最后，夜長跨季節(jié)和緯度變化顯著，何必人的睡眠時間已經(jīng)定居在大約八小時約“通用”的價值？

一個很容易被拒絕的關(guān)于睡眠的直觀解釋是，它需要保存能量、休息和恢復我們的身體。我們確實在睡眠時降低了平均代謝率，但僅降低了15 % 左右——每晚僅100 卡路里食物，相當于一片面包和黃油。這似乎不足以證明睡眠的復雜性、脆弱性和挑戰(zhàn)是合理的。

需要有專門的停機時間。畢竟，一邊開車一邊修理汽車是很魯莽的。盡管如此，人們普遍認為睡眠的兩個主要功能之一是修復生活的磨損，這是維持我們活著的代謝過程的副產(chǎn)品的損害。從人類到寄居蟹，生命是通過網(wǎng)絡（例如心血管系統(tǒng)）維持的，這些網(wǎng)絡在所有尺度上傳輸代謝能量，為細胞、線粒體、基因組和其他細胞內(nèi)單位提供服務和喂養(yǎng)。就像高速公路上汽車和卡車的摩擦或水通過管道的流動導致持續(xù)損壞和腐爛一樣，流經(jīng)我們網(wǎng)絡的血液、資源、細胞和能量也是如此。除了熟悉的循環(huán)系統(tǒng)，線粒體中存在類似的生化反應網(wǎng)絡——我們能量的基本來源——通過產(chǎn)生自由基來傷害我們的身體。自由基是具有不成對電子的任何原子或分子，反過來，這又使其具有高度的揮發(fā)性和破壞性。黑巧克力和藍莓等抗氧化劑可作為此類損害的保護緩沖。因此，睡眠有助于修復血流和生化力量造成的損害。確實，認識到維持我們的系統(tǒng)也在不斷地使我們的身體退化，這是發(fā)人深省的。因此，睡眠有助于修復血流和生化力量造成的損害。確實，認識到維持我們的系統(tǒng)也在不斷地使我們的身體退化，這是發(fā)人深省的。因此，睡眠有助于修復血流和生化力量造成的損害。確實，認識到維持我們的系統(tǒng)也在不斷地使我們的身體退化，這是發(fā)人深省的。

睡眠的另一個主要功能是重組和重新配置我們大腦中的神經(jīng)連接，以響應我們不斷收到的無數(shù)感官輸入。它們既來自外部環(huán)境，也來自我們體內(nèi)的刺激，例如我們的心跳和來自腸道的信號。這種持續(xù)的日常處理是學習和記憶的基本組成部分。為了保持高效和有效，它還涉及修剪很少使用的突觸、重新排列和丟棄舊通路和連接，以及構(gòu)建新通路。因此，每一個轉(zhuǎn)瞬即逝的想法、每一個夢想、每一個新想法都是你大腦的潛在重構(gòu)，只有通過使用代謝能量才能發(fā)生。

盡管這兩種功能——大腦的修復和重組——反映了我們需要睡眠的不同原因，但它們有兩個主要特性。首先，它們都與新陳代謝直接相關(guān)，因為代謝能量既可以促進神經(jīng)網(wǎng)絡的重組，也可以修復由能量產(chǎn)生和傳遞的副產(chǎn)品引起的損傷本身。第二個共同特征是它們都發(fā)生在一個基本上從不替換神經(jīng)元的大腦中（不像大多數(shù)其他器官和組織的細胞不斷被替換和再生）。因為受損的神經(jīng)元幾乎永遠不會被替換，所以必須忠實地修復它們，以便在保持多組分大腦完整性的同時啟用和保存記憶和學習。

由于這些原因，大腦中神經(jīng)元的有效修復和重組不可能在不破壞生物體正常功能的情況下發(fā)生。因此，需要有專門的停機時間。畢竟，在駕駛汽車時修理汽車是很魯莽的，而且可能很危險。這就是為什么您停止電機并將其帶到機械師處。同樣，市區(qū)道路或地鐵系統(tǒng)的大修、城市垃圾清理以及計算機系統(tǒng)和網(wǎng)絡的升級通常在用戶明顯減少的晚上或周末進行。這就是為什么我們的大腦和身體在進行大部分必要的修復和重組時似乎“關(guān)閉”的原因，從而減少了潛在沖突和對日常運營的干擾的機會。這就是為什么我們需要時間睡覺。

一世就您的大腦而言，您一生中的大部分時間都是“您”。但這只有在對大腦的細胞損傷得到忠實修復以保持其長期完整性和特性的情況下才能得到保證。如果沒有，“你”將開始轉(zhuǎn)變?yōu)槟橙嘶蚰澄铩聦嵣?，如果你的睡眠嚴重不足，你會很快變成這樣。相比之下，那么認真地修復我們的其他器官和組織就沒有那么重要了。事實上，正是 Manacéine 和其他人在最初的研究中出現(xiàn)的大腦損傷和出血，讓我們第一次暗示睡眠主要是為了大腦。進一步的支持來自這樣一個事實，即大腦吸收了我們整個身體使用的所有能量的20 % 以上，即使它僅占2%。其質(zhì)量的百分之幾。大腦需要的不僅僅是它的份額，因為它需要處理感覺信息和操作我們的身體，以及在我們睡覺時修復和重組這些神經(jīng)網(wǎng)絡。

忠實修復和神經(jīng)重組的需求為開發(fā)睡眠定量理論提供了一個強有力的起點，因為它們與代謝率的關(guān)系。對睡眠日益增長的興趣以及對其在良好健康中的核心作用的認識激發(fā)了許多研究，這些研究闡明了我們?nèi)胨姆绞胶驮?。然而，出現(xiàn)的速度要慢得多的是一個全面的理論框架——一個既可量化又可預測的框架，用于理解我們?yōu)槭裁葱枰X。是什么設(shè)定了睡眠時間尺度來解釋為什么人類需要八小時，而大象只需要三個小時？修復和神經(jīng)重組的相對作用是什么？隨著我們從嬰兒成長為成年人，這些會如何變化？我們需要一個框架來開始破解這些謎團。

新陳代謝由通過心血管系統(tǒng)從肺部輸送到細胞的氧氣提供燃料。在從老鼠到大象的所有動物中，從嬰兒到成人的整個發(fā)育過程中，心血管系統(tǒng)都有一些共同的特征，可以在一個總體框架內(nèi)描述和理解它們。這些特征是由于基本的生物學特性而產(chǎn)生的——例如最小化泵血的能力，需要分支網(wǎng)絡跨越身體并喂養(yǎng)所有細胞，以及具有相似大小和結(jié)構(gòu)的毛細血管，紅細胞通過這些毛細血管流動以輸送氧氣到細胞?？傊?，這些特性共同創(chuàng)造了所有生物學中最普遍的模式之一，稱為生物或異速生長縮放。

大動物比小動物需要的睡眠少，成年人比嬰兒需要的睡眠少。簡而言之，這意味著幾乎所有的生理速率和時間——從壽命到人口增長到細胞周轉(zhuǎn)再到懷孕——都以一種系統(tǒng)的預測方式隨著體重而變化，在數(shù)學上稱為“四分之一功率縮放”。例如，一頭大象比松鼠重 10,000 倍，因此，由于這些縮放定律，它的壽命大約長 10 倍，生長速度慢大約 10 倍，細胞更換頻率大約是松鼠的 1/10，并且花費大約分娩前懷孕時間長 10 倍。鯨魚、長頸鹿、人類和貓可能看起來完全不同，生活在完全不同的環(huán)境中，但由于自然選擇和共享祖先的持續(xù)過程，我們都遵循相同的基本規(guī)則、限制和權(quán)衡我們的大小。

盡管這些比例關(guān)系無處不在，但睡眠是一個顯著的例外——事實上，正是這一點首先讓我們對睡眠的功能有了新的認識，并需要以全新的方式分析數(shù)據(jù)。具體來說，雖然總睡眠時間會隨著不同動物的體型或隨著嬰兒的成長而變化，但它并不遵循上述模式：睡眠時間不會隨著體型而增加，而是會減少！例如，對縮放定律的天真推斷會導致我們預期大象的睡眠時間是松鼠的 10 倍。但不僅大象的睡眠時間比松鼠少得多，差異大約是四到五倍，而不是 10 倍。同樣，蹣跚學步的孩子比新生兒睡得少，而不是更多。

這個極其令人費解的結(jié)果與我們和其他人研究了幾十年的所有生物時間相反，以不同的速度運行。經(jīng)過反復摸索，我們得出了兩個范式轉(zhuǎn)換假設(shè)，可以解釋這種困境。

首先，如果我們記得睡眠與新陳代謝的關(guān)系，那么大小和睡眠時間之間關(guān)系的倒置是有道理的。睡眠可以抵消能量產(chǎn)生造成的損害，睡眠也是反應性的通過對從環(huán)境處理的信息進行編碼所需的神經(jīng)重組來刺激。此外，修復的抵消工作和重組的反應工作，每一個都以本身由新陳代謝決定的速度發(fā)生。雖然整個身體的代謝率隨著動物的大小而增加——無論是觀察不同大小的物種，還是隨著我們長大而增加的大小——根據(jù)異速生長比例關(guān)系，它這樣做會導致每克組織的代謝率下降與體型。因此，當動物較大時，它對固定體積的組織或細胞的損傷較小。因此，它需要更少的能量和更少的睡眠時間來完成修復。

其次，如果代謝率不是由整個身體設(shè)定的，而是由身體的某個部分以相對于身體尺寸。這讓我們回到大腦：與大多數(shù)其他器官和組織（如心臟）不同，長期以來人們一直觀察到，大腦的大小隨著不同物種的體型和嬰兒的成長而呈非線性變化。這意味著，例如，大象的大腦僅比松鼠的大腦大 1,000 倍，而不是我們從其他器官和組織觀察到的體重線性縮放所預期的 30,000 倍比如心臟。

有了這兩個見解，我們做了一個粗略的計算，看看修復和重組是否對大腦中的代謝過程（大腦的擴展速度比整個身體更慢）有反應，可以解釋睡眠時間如何變化的長期難題– 為什么大動物需要的睡眠比小動物少，為什么成年人需要的睡眠比嬰兒少。我們很高興看到結(jié)果在正確的范圍內(nèi)，那時我們開始認真對待這些想法，以推導出嚴格的、定量的和預測性的睡眠理論。

由于我們過去的研究，我們能夠很好地開發(fā)方程式來表達睡眠時新陳代謝在修復和重組中的作用。以前，在研究衰老和壽命理論時，我們計算了新陳代謝造成的損害程度的估計值。我們關(guān)于睡眠的新理論是這一點的產(chǎn)物：我們在清醒時遭受的任何損害都必須通過睡眠期間修復這種損害所需的能量來平衡。我們通過觀察大腦和身體來將這一見解置于語境中，以找出比例關(guān)系揭示了哪些在睡眠中起主導作用的比例關(guān)系。

這使我們能夠推導出將睡眠時間與清醒時間相關(guān)聯(lián)的基本方程。從那里，通過簡單的代數(shù)運算發(fā)現(xiàn)表達和測試新理論的最佳方式是關(guān)注總睡眠時間與總清醒時間的比率如何隨大腦（或身體）大小而變化。這代表了一個重大的偏離，因為之前的研究只關(guān)注絕對而非相對的睡眠時間或清醒時間。此外，我們的方程還要求在測試我們的理論時，繪制數(shù)據(jù)的適當空間是對數(shù)空間——從 1 到 10 的步長與從 10 到 100 或從 100 到 1,000 的距離相同的空間。這些簡單的數(shù)學運算和變換——時間比，

為了測試我們的理論，我們首先分析了現(xiàn)有最大的成年哺乳動物睡眠時間數(shù)據(jù)集，范圍從老鼠到大象。當根據(jù)我們的理論繪制這些數(shù)據(jù)時，我們很高興地發(fā)現(xiàn)它們按比例縮放，正如我們對睡眠主要用于修復大腦的情況所預測的那樣。這不僅適用于總睡眠時間?？缥锓N，我們還可以預測 REM 睡眠的比例和睡眠周期時間的縮放 - 在 REM 和非 REM 睡眠之間循環(huán)需要多長時間。這是非常令人滿意的，讓我們相信我們找到了正確的機制和正確的理論來解釋我們?yōu)槭裁葱枰X。事實上，我們已經(jīng)推導出了一個關(guān)于成年動物睡眠時間的數(shù)學公式。

作為進一步的測試，我們后來想知道該理論是否也適用于隨著個體成長而睡眠的變化。我們都知道新生兒和兒童的睡眠時間比成人長得多——但這是否反映了我們在不同物種中看到的變化速度和幅度？生長期間睡眠時間的減少是否反映了體型不斷增加的哺乳動物的睡眠時間減少？該理論提出后，隨著對理解睡眠的興趣獲得更廣泛的科學和大眾吸引力，出現(xiàn)了關(guān)于總睡眠時間、REM 睡眠時間、大腦大小和從人類出生到成年的其他特性的新數(shù)據(jù)。

睡眠的目的從兒童的神經(jīng)重組轉(zhuǎn)變?yōu)殚L大后的修復。

我們和我們的合作者懷著極大的期待繪制了新數(shù)據(jù)——并失望地發(fā)現(xiàn)兒童睡眠時間的比例與我們在不同物種中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果大不相同。顯然，我們的理論在應用于成長中的兒童時是不正確的。當我們進一步觀察到 REM 睡眠量隨著我們的成長而發(fā)生深刻變化時，我們的困惑越來越大。這與 REM 睡眠時間在不同物種之間幾乎沒有變化的方式形成鮮明對比。最后一個驚喜，我們還發(fā)現(xiàn)大腦代謝率和突觸形成率（神經(jīng)元之間的連接）的比例與我們預期的完全不同。

這些發(fā)現(xiàn)加強了我們對奇怪的和生物學上不尋常的睡眠過程的迷戀。然而，他們也明確表示，并且基本上“證明”了我們成長時需要睡眠的原因似乎與我們成年后需要睡眠的原因有著根本的不同，以及為什么睡眠因物種而異。因此，與睡眠和統(tǒng)計學專家 Junyu Cao、Alex Herman 和 Gina Poe 合作，我們回到了該理論的另一種版本，基于睡眠主要用于神經(jīng)重組以處理來自日。從這個角度來看，睡眠仍然與大腦及其代謝活動有關(guān)——就像成年動物的修復理論一樣。兒童早期出現(xiàn)的巨大差異是因為大腦的生長方式與成人大腦中的過程相比，我們早年的過程本身就非常不尋常。特別是，突觸形成和大腦代謝率在這些早期階段以驚人的速度增加：大腦大小增加一倍導致突觸密度和大腦代謝率接近四倍。

基于這些見解，我們擴展了我們的理論，以便在生命早期睡眠的主要功能是神經(jīng)重組，而不僅僅是修復。而且，瞧，我們能夠預測觀察到的總睡眠時間和 REM 睡眠時間如何在早期發(fā)育過程中隨大腦大小和代謝率變化的關(guān)系。

將我們跨物種的發(fā)現(xiàn)與跨生長的發(fā)現(xiàn)進行比較，讓我們想到了最后一個問題。如果睡眠的目的從孩提時的神經(jīng)重組轉(zhuǎn)變?yōu)殚L大后的修復，那么這種轉(zhuǎn)變究竟何時發(fā)生，又有多突然？憑借我們的新理論加上人類發(fā)育數(shù)據(jù)，我們可以以驚人的準確度回答這個問題：這種轉(zhuǎn)變發(fā)生在我們非常年輕的時候——大約2.5歲——而且它發(fā)生得非常突然，就像水在 0°C 結(jié)冰一樣。

我們對這個驚人的結(jié)果感到高興。首先，它讓我們更加認識到睡眠的重要性：我們永遠不會再低估它對我們孩子的重要性，尤其是在他們生命的最初幾年，他們的睡眠正在做一些完全不同和非常重要的事情，一些事情似乎無法在以后的生活中彌補。其次，我們發(fā)現(xiàn)這兩種睡眠狀態(tài)雖然從外面看起來非常相似，但實際上類似于2.5 歲這一分界線前后完全不同的物質(zhì)狀態(tài)。在2.5 歲之前，我們的大腦更具流動性和可塑性，使我們能夠快速學習和適應，類似于水繞過障礙物的狀態(tài)。后2.5 年，我們的大腦更加結(jié)晶和凍結(jié)，仍然能夠?qū)W習和適應，但更像冰川緩慢地穿越景觀。

許多問題仍然存在。不同人類和不同物種的睡眠有多大差異？可以延長這種早期的睡眠流動階段嗎？對于某些人來說，這個階段是否已經(jīng)延長或縮短，與此相關(guān)的成本或收益是什么？睡眠的哪些其他功能與修復和神經(jīng)重組的主要功能相輔相成？睡眠的不同原因如何在不同年齡甚至一個晚上內(nèi)競爭或分享睡眠時間？要完全解開睡眠的奧秘還需要做更多的工作，但我們最近的見解——關(guān)于睡眠目的的年齡變化以及量化這些變化的數(shù)學預測理論——代表了進一步探索這些深度的重要工具。