第１章 為什麼要睡覺？
睡眠的未解之謎與驚人的記憶力強化效果
人為什麼要睡覺？是什麼樣的腦內物質或機制在控制我們的睡眠，促使我們入睡或清醒呢？對於這個極為單純的問題，現今的腦科學與神經科學依舊無法提出明確的答案。即使在科學與文明如此發達的現代，不，應該說就因為是如今這樣的時代，才讓愈來愈多人飽受失眠之苦。
睡眠向來被我們當作是被動的休息時間，而只要是現代人，誰都知道意識產生於大腦，並且在睡著後意識就會消失，那麼這是表示腦部機能在睡眠期間是停止運轉的嗎？然而，意識又會在我們睡覺時陷入「夢境」這種奇妙的迷宮裡，夢到底又有什麼樣的作用呢？
所以說我們究竟是為了什麼目的而睡覺呢？若是不睡覺而持續進行活動的話，睡意會讓人身心的機能都逐漸下降，但只要睡了一覺之後，下降的工作效率都會得到回復。儘管這種現象是我們每天都會實際體驗到的感受，但在睡眠期間腦內所發生的生物學與神經科學的相關變化，則仍有大部分至今都還是未解之謎。其實就連為什麼我們非得睡覺不可這種疑問，目前在科學上也依舊沒有明確的解答。
這其實是很令人驚訝的，畢竟睡眠是高等動物生活中不可或缺的一環。舉例來說，如果有人問「為什麼我們一定要進食？」，想必大部分的人都能簡單地回答出來，但若是「為什麼一定要睡覺？」這樣的問題，大家又會怎麼回答呢？是「為了休息」嗎？如果是這樣的話，那為什麼不能不睡覺只是舒舒服服躺著休息呢？實際上，這個非常單純卻觸及根源的疑問，目前依舊沒有明確的答案，唯一能夠確定的，只有「為了消除睡意」而已，這簡直就是一種禪問答了。
本書將針對這個謎一般的睡眠，以簡單易懂的方式說明現階段已知的「睡眠與清醒系統」。雖然書中有部分內容會摻雜一些假說，但同時也會加入最新的資訊，盡可能地回答有關睡眠這個單純又根源的問題。
那麼在進入涉及睡眠的複雜大腦機制之前，本章先來講述睡眠引起的身心機能變化，讓大家認識睡眠的重要性。
● 不睡覺會怎樣？
大家先來想想看，如果我們不睡覺的話，會發生什麼樣的事呢？
曾經有睡眠研究人員提出過這樣的想法：「只要剝奪了睡眠，就能了解睡眠的功能了。」也就是移除睡眠後，如果身體有發生異常，就可由此推測出睡眠的功能。這就是之後會提到的「斷眠實驗」之構想。不過，睡眠不足造成什麼身心失常，其實在我們日常生活中就經常有所體驗了吧！
就算我們想用意志來控制睡意，效果也是有限的。儘管可以撐著一、兩天不睡覺，但之後也會有完全抵抗不了的睡意襲來而讓人陷入睡眠。不管再怎麼想要完成斷眠，總有一天也一定會睡著。我們對睡眠的需求就跟對食物一樣，是為了生存無論如何也必須去滿足的一環（圖１–１）。
幾乎所有人應該都有睡眠不足的隔天身體無法正常發揮的經驗，其中最顯著的現象，就是注意力明顯下降。熬夜了一整晚後，注意力下降的程度簡直就跟喝醉酒一樣，雖然熬夜開車不會像酒駕一樣被懲罰，但兩者的危險程度是一樣的。像是一九八六年的太空梭挑戰者號失事與一九八九年的阿拉斯加港灣漏油事件，睡眠問題所引發的重大悲劇並不少見。
此外，睡眠不足還會讓人頭腦不清醒導致判斷力下降。有些警察嚴厲審訊而導致的冤案，就很可能與犯罪嫌疑人的睡眠不足有關。在某些宗教儀式中，也會看到利用剝奪睡眠來取得自白的情況。人類一旦被剝奪了睡眠，就會失去判斷力，為了能夠睡覺什麼話都願意說。
● 動物實驗證明了睡眠的必要性
那麼如果不是睡眠不足，而是完全不睡覺的話又會怎麼樣呢？為了調查睡眠的功能，自古以來就有剝奪動物睡眠的「斷眠實驗」。而從結論看來，長時間完全沒有睡覺的後果，動物會陷入疲勞狀態而誘發感染症或併發多重器官衰竭而死。
一九八〇年代，美國芝加哥大學的艾倫．瑞赫夏芬（Allan Rechtschaffen）等人的研究團隊曾對大鼠觀察過剝奪睡眠後所引起的變化。雖然在斷眠一星期時尚未出現明顯的變化，但到了第二個星期後，斷眠的大鼠皮膚開始脫毛並形成潰瘍，同時還因為運動能力下降、體溫調節機制異常的關係，大鼠的體溫逐漸下降，為了維持體溫，牠們變得會蜷縮在籠內的一角取暖。進一步地，研究人員還觀察到大鼠的食量增加但體重卻不斷減少。從這幾點看來，可以推測出一旦長期不睡覺，可能會導致體內維持體溫及體重恆定性的機制和體溫調節機制異常，而主要掌管這些功能的部位在大腦的下視丘，也就是說，不睡覺會給下視丘的身體恆定性維持功能帶來不好的影響。不管安靜地休息多久，只要不睡覺，就絕對無法恢復身體的正常機能。接著，在斷眠三～四個星期後，大鼠先後因為感染而死亡，死因為體內的常在菌造成感染後所引發的敗血症（血液中有病原菌大量繁殖的危險狀態）。這些原本不具病原性的微生物所造成的感染稱為伺機性感染，會在免疫系統失調導致身體無法對抗感染的時候發病。也就是說，斷眠的大鼠應該是發生了免疫系統失調的情形，可見完全不睡覺會對免疫系統功能造成極為嚴重的影響。
看到這個實驗後，或許各位忙於工作或準備考試而經常感到睡眠不足的人會覺得有點不安，不過請大家放心，這種情形只在大鼠被強迫斷眠後才發生，而且是在長達一個星期之後才逐漸出現明顯的影響。我們通常就算想要一直不睡覺，身體也一定會在嚴重傷害造成之前就睡著了，所以睡眠不足是不會讓我們死亡的（但在罕見疾病致死性家族失眠症的患者身上，由於普利昂（prion）這種異常蛋白質會聚積在腦內破壞視丘部位，導致患者嚴重失眠並引發其他神經症狀，最後造成死亡）。此外，即使是這些嚴重失眠的大鼠，只要在死亡之前讓牠們睡覺的話，應該在不久之後也能完全恢復。由此可知，儘管不能完全不睡覺，但腦部或身體在某種程度上對於缺乏睡眠是具有容忍性和靈活性的，至於程度為何，則是「到受不了為止」。
● 世界上最久沒睡覺的人
前面所說的是實驗動物的例子，那麼人類長時間不睡覺的話會發生什麼事呢？目前的紀錄保持人是蘭迪．嘉德納（Randy Gardner），他在完全不使用咖啡因等興奮劑的情況下連續十一天沒有睡覺。一九六四年時，十七歲的高中生蘭迪為了完成耶誕假期的研究作業決定「挑戰最長不眠紀錄」。挑戰的結果，他打破了之前由湯姆．朗茲（Tom Rounds）所保持的兩百六十個小時不眠紀錄，創造了兩百六十四個小時（十一天）的新紀錄。蘭迪的挑戰之所以這麼有價值，在於他挑戰過程後期的那幾天，是在美國史丹佛大學知名睡眠研究專家威廉．德門特博士（William Dement）詳細的監測下進行的。之後雖然還有很多人聲稱自己打破了這項紀錄，但因為難以證實，這個在知名研究人員詳細記錄下的蘭迪不眠挑戰至今仍在睡眠研究方面提供了很重要的資料。
蘭迪是在一九六四年十二月二十八日早上六點醒來之後，就連續十一天一覺也沒睡地度過了新年。在進入不睡覺的第二天後，他變得暴躁易怒，覺得身體不舒服，以及出現記憶障礙的情形；同時還有注意力無法集中，連看電視都變得很困難。第四天時開始有妄想的症狀及強烈的疲憊感，第七天時他開始出現身體顫抖及語言障礙的症狀，但這些異常都沒有睡眠研究專家所預想的那麼嚴重。基於大鼠等動物實驗的結果，大部分專家都曾發出過警告，認為長時間不睡覺會造成精神異常或出現嚴重的身體症狀。在連續十一天沒睡覺之後，蘭迪終於可以就寢，並睡了連續十五個小時。之後他清醒了廿三個小時，又睡了十個半小時。一星期後則完全恢復成之前的生活步調，沒有留下任何後遺症。這表示長期不睡覺雖然會引起各式各樣的異常情形，但在睡覺之後就會完全恢復。由此，我們也知道儘管睡眠是絕對必要的，但其必要性在某種程度上是能夠通融跟靈活調整的。不過就算如此，並非任何人都可以這樣胡亂地去挑戰長期不睡覺這種事，蘭迪也有可能只是少數的例外而已。
再介紹一個挑戰長時間不睡覺的知名案例。身為廣播電台主持人的彼得．特里普（Peter Tripp）在一九五九年的時候，參加了一場為小兒麻痺患者募資的兩百小時不睡覺馬拉松挑戰賽，於是進行了為期九天不眠不休的廣播節目。在第三天的時候，彼得出現了幻覺和妄想症狀，並開始變得胡言亂語。在廣播節目接近尾聲時，彼得的妄想和幻覺症狀愈來愈明顯，已經呈現患有某種精神疾病的狀態。從這個案例顯示，長期不睡覺很可能會導致精神異常。
蘭迪．嘉德納和彼得．特里普的例子算是長時間不睡覺的特殊案例，其實人在極度睡眠不足的時候，會出現一種非常短暫的睡眠，稱之為微睡眠（microsleep）。這是一種僅僅只有數秒或甚至更短只有一瞬間陷入睡眠的現象，大家在因為工作或準備考試而熬夜的隔天，是不是都有那種一瞬間睡著的經驗呢？這就是微睡眠。因此也有學者認為蘭迪之所以連續十一天沒睡覺卻沒有對腦部造成傷害，很可能就是微睡眠勉強維持了腦部功能的關係。
● 快速動眼期睡眠與不可思議的夢境
德國詩人赫曼．赫塞（Hermann Hesse）曾說過「不論是多遙遠的夢想，只要堅定自己的信念，就有可能實現」，這是他勉勵年輕人要胸懷大志，懷抱成功的信念努力不懈的優美語句。「夢」這個詞彙經常被賦予「希望」或「願望」之意，或許是因為自己的願望經常會出現在夢裡吧！不過實際上，大家的夢境裡是不是經常會出現「恐怖」或「不安」的內容呢？
大家常說的「好像作夢一樣」的夢是在快速動眼期睡眠做的，不過，目前已知在較淺的非快速動眼期睡眠期間也會作夢。快速動眼期睡眠時的夢境內容很奇妙，通常是伴隨著感情的故事性夢境，相對地，非快速動眼期睡眠的夢境內容則大多比較單純。
快速動眼期睡眠的夢境經常是由異想天開或不可思議的故事所構成，夢裡會發生各種物理上、理論上不可能發生的事。此外，也常常會有被某人追趕、考試不合格、珍惜的物品損壞等伴隨有不安、焦慮或恐懼等情緒的內容。美國哈佛大學的艾倫．霍布森（Allan Hobson）教授在記錄自己的夢境後發現，夢中的故事特徵除了會有強烈的情緒波動（例如恐懼或喜悅）及不合邏輯的故事展開外，還通常會有運動性的內容，也就是在夢裡自己經常會因為某些原因而動來動去。他認為這可能是因為腦幹中與運動有關的區域在快速動眼期睡眠時特別活躍的關係，而這一點或許與本書後面會提到的運動學習，也就是程序性記憶（本書第40頁的表１–１）的強化有某種關聯。
因為夢境裡異想天開的故事情節與伴隨的強烈情緒波動（高興、恐懼、不安等情緒波動），夢境經常被認為是「能夠預見未來」或「帶有某種暗示」之類的超自然現象。此外，也有人因為受到佛洛伊德對夢境所提出之理論的影響，認為「夢所表現的是人類潛在或被壓抑的慾望」而嘗試去分析夢境裡的故事情節。不過，身為神經學研究人員的我們，則認為夢是「快速動眼期睡眠中因為腦部活動而產生的一種幻覺」，或說得更誇張一點，「快速動眼期睡眠期間，腦部為了維持其機能必須進行運轉，而該運轉期間所產生的『雜音』就是夢」。雖然我們不安的情緒的確會在夢裡以各種不同的形式表現出來，但那絕對沒有暗示未來的意義在裡面。在夢境裡出現的事物，是我們大腦在過去所獲得的記憶片斷。而比起夢裡的故事情節，神經學及生理學研究人員更關心的是為什麼會作夢以及大腦在作夢時的運作機制。雖然不安這種情緒有時的確會引發大腦聯想到各式各樣的記憶，但分析夢中的故事情節（對神經學研究人員來說）並沒有太大的意義。因此本書後述內容雖然會提到引起作夢的機制，但不會涉及到夢境在心理學方面的解析。
● 「挑戰者號」的悲劇也是睡眠不足造成的
「如果不用睡覺的話該有多好啊，這樣一天就多了七個小時可以自由使用了……。」大家在臨近考試前一定都曾想過這種事吧！的確，睡眠總是會給人一種消極又被動的印象，只是因為夜間不用工作所以讓疲勞的身體休息一下，是一段沒有什麼用、被浪費掉的時間。應該也有人覺得只要自己精神上能自律，就可以抵抗睡眠的誘惑吧！像拿破崙就曾經針對睡眠時間的長短說過「勤奮的人睡三個小時，普通的人睡四個小時，怠惰的人睡五個小時」，很顯然地，他就覺得睡眠是「浪費時間」。此外，發明大王愛迪生也對自己睡眠時間很短感到非常自傲，甚至還曾對下屬說過「睡覺不過是浪費時間而已」。
另一方面，愛因斯坦就是一個長時間睡眠者，據說一天要睡十個小時以上。而我們當然不可能認為在理論物理學領域裡建立多項標竿的愛因斯坦是在浪費時間。透過本書之前的說明，相信大家都已經了解睡眠對於身心是不可或缺的生理機能。例如一九八六年「挑戰者號」太空梭在發射後僅僅七十三秒就發生爆炸的悲劇，據說就是肇因於睡眠不足而導致的人為失誤。儘管美國航太總署（ＮＡＳＡ）工作人員這般士氣高昂的精英集團對於太空梭發射這個重大項目投注了那麼多心力，最後依舊對抗不了睡眠不足。莎士比亞也認為睡眠非常重要，在《馬克白》中就曾寫道「睡眠，是生命筵席裡的主要營養（Sleep, a chief nourisher in life's feast）」。這句極為優美的詞句完美地表現出了睡眠中發生的某種作用對身心的益處。實際上，這個世界上應該也沒有比睡眠更「療癒」的事了吧！
● 睡眠對「程序性記憶」的顯著效果
記憶可以分為幾個種類（表１–１）。
記憶首先可大致分為「陳述性記憶（宣告記憶）」與「非陳述性記憶（非宣告記憶）」，「陳述性記憶」是指可以用言語說明的記憶，一般認為位於顳葉（temporal lobe）內側之海馬體在此種記憶的建立過程中扮演了重要的角色。
陳述性記憶還可進一步分為「情節記憶」和「語意記憶」。「情節記憶」是類似日記所記述的內容一般，是帶有時間、地點等訊息的個人經歷相關記憶，例如「上個星期四我在澀谷遇到了朋友景子」就屬於此類。情節記憶中，特別與地點有關的記憶稱之為「空間記憶」，例如一般情況下我們都記得住車子停在停車場裡的位置，這就是空間記憶。相對於情節記憶，「語意記憶」則是個人性事物或一般性事物中，無關於特定事件的客觀事實，像是「澀谷」這種地名或是朋友「景子」的姓名這一類就屬於此種記憶。
相對於「陳述性記憶」的「非陳述性記憶」中，則包括「程序性記憶」和「情緒記憶」。所謂「程序性記憶」是指文章或語言無法表現出來，且與技巧或動作技能有關的記憶。例如樂器演奏、體育運動或電動遊戲等頭腦不用思考也能在反覆練習中進步的事物，其相關記憶就屬於此類。實驗中經常被用來測試的就是這個非陳述性記憶下的程序性記憶，這是因為陳述性記憶屬於需要大腦認知的記憶，容易受到當下心情或注意力所影響，且個體差異極大難以評估。尤其是因為睡眠會影響到受試者的注意力，所以實驗結果會受到注意力大幅影響的項目並不適合作為研究主題，也因此採用程序性記憶的實驗極為常見。前述的「旋轉圖形描繪作業」或俄羅斯方塊的熟練度也都是與程序性記憶相關的測試。
腦中掌控程序性記憶的區域主要為大腦皮質、大腦基底核及小腦，而前述的實驗也已證明睡眠對於強化程序性記憶極為重要。此外，目前也已知睡眠所強化的並非早期記憶，而是相對較為近期的新記憶。由於非陳述性記憶與陳述性記憶的形成機制有很大的差異，所以在提到記憶與睡眠之間的關係時，兩者不可混為一談。不過儘管強化效果不如程序性記憶那樣穩固，從先前提到的傑金斯與達蘭巴克之研究報告中還是可以看出，睡眠對陳述性記憶的強化效果仍是毋庸置疑的。
另外，美國哈佛大學的史提高德（Robert Stickgold）等人所提出的研究報告指出，睡眠能提高智力測驗的成績，也就是說不只是記憶力，睡眠也能提高智力與認知能力。而在德國呂北克大學博倫等人之研究小組最近的實驗中，先讓受試者在學習過程中嗅聞特定的香味（如玫瑰等怡人的香味），接著再讓受試者在非快速動眼期睡眠期間嗅聞同樣的香味，結果顯示學習效率會得到強化，而且還發現海馬體在這個期間變得更為活躍，這表示若能在睡眠期間重現學習時的感覺，則「睡眠中的記憶強化效果」會更為加強。
由此可知，睡眠的確可以讓各種不同的記憶更為穩定及強化。我們人類在清醒時會經歷數不清的各種事情，並從中學習到各種不同的知識，而這些知識都會在睡眠中得到強化！
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