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https://new.qq.com/rain/a/20240101A0303300
睡眠不仅消耗大量时间，而且还会导致动物们意识消失，这无疑对动物的生存极为不利，意义何在？就算真的需要睡觉，为什么没有睡觉时还保持意识的动物？
本篇文章回答了这个终极问题。
睡眠需要花费大量时间，仅从生存竞赛来说，对动物是不利的 （图片来源：Wikipedia）
睡着了为什么会失去意识？
关于这一点，有几种解释。
1.调整状态说 神经活动会增强与信号传递线路有关的突触，越是被高度使用的突触，强度也会变得越大。例如在一个实验中，让一只猫只用一只眼睛观察，与它睁开的眼睛相连的视觉上皮显示出更强的神经连接。动物每天都要接收大量的信息，这种正反馈过程会使得一些神经回路被饱和而固定化，而神经系统需要神经回路处于灵活状态。
在睡眠过程中，突触的强度会降低，其中睡眠前只有轻微增强的突触有机会恢复常态，而只让睡眠前增强状态最高的突触依旧保留一定增强状态。这一过程类似于落潮，睡眠前是涨潮状态，突触被海量信息淹没，睡眠后信息大潮退去，大部分突触得以休息，只有少部分突触还处于被淹没（也就是激活）状态。
新的信号也会在有关神经回路上形成新的突触。如果这种趋势持续下去得不到控制，树突就会被突触占满而无法形成新的突触。睡眠过程会对一些突触进行“修剪”，去掉那些不重要的突触，使神经系统再次处于可以进行适应性变化的状态。
由于意识是在神经回路活动的基础上产生的，这个对突触的调整过程也会使意识暂时“关闭”。
2.转移记忆说 神经系统在处理外来信息时有关回路会发生强化，这也被认为是记忆形成的机制，即信息储存在神经回路的强度中。这有些类似人在草地上踩出的印迹就是人活动的记录。但是同一条回路不能既保持原有记忆又同时形成新的记忆，因此记忆需要转移到脑中别的地方储存起来，形成永久记忆。
在人脑中，记忆是从下丘脑转移到大脑皮层的，类似于计算机将RAM的临时记忆转移到硬盘上。这个过程也类似于老师“擦黑板”，黑板上的临时记忆被转移后，才能够在上面写新的东西。REM睡眠时脑的活动状态与清醒时相同甚至更高，但是脑各部分的连接情况与清醒时不同，也支持记忆转移说。
正在睡眠的男孩的脑电波记录，睡眠可能有助于记忆的形成（图片来源：Wikipedia）
将电极插入小鼠的脑，发现位置细胞（即对动物位置起反应的神经细胞）会在睡眠时重放白天的活动，说明转移记忆的过程包括对清醒状态下活动的“回放”。眼球的快速运动并不是持续进行的，而是有停顿和变化，也许和事件的重现过程有关。跳蛛睡眠时视网膜的抽动可能也是在重放白天的视觉活动。
在慢波睡眠中，慢波上的小波（ripple）起伏可能也在重放白天的活动。这些小波就带有信息，因此慢波被认为是信息波的载体。
局部回路的振荡波就是神经系统的“信息码”（neural code）,频率最高的小范围振荡就是“字母”，更慢一些，更大范围的振荡能够“阅读”这些字母，将其连成“词”，再大范围、频率更低的波则将词组成句子。0.01-0.1 Hz的最慢波则能阅读和携带所有的信息。如果用白喉毒素（tetanus toxin）抑制这些小波，它们可以短期记忆白天的活动（如经过的路线），但是不能形成长期记忆。
脑电波的震荡方式可能就带有信息，目前解析这些脑电波也是脑科学中的前沿（图片来源：Wikipedia）
这个信息转移的过程不可以有新的外界信息进入，否则会干扰信息转移过程。关闭外来信息输入的状态也就是无意识的状态。这也许能够解释睡眠时为何不能保持意识。
以上这些过程都能够部分解释为什么所有的神经系统都需要睡眠，但是在目前，还不清楚这些因素贡献的相对大小，也不清楚哪一种是动物睡眠最主要的原因。
神经系统必须睡觉的事实表明，演化过程不是万能的。
为什么无法演化出 在睡觉时还保持意识的动物？
神经系统是动物以“吃”为中心生活方式演化出来的，并在其后的演化中越来越复杂，也让动物们的智力越来越发达。然而神经系统毕竟是由生物材料构成的信息传递和处理系统，它受到自然规律的限制，不可能一直持续工作，我们在使用它的同时，不得不付出大量时间来维护和修理它。所以，睡觉是我们成为动物必须付出的代价。
那有无可能重新演化出新的神经系统，让动物们能够在睡觉维护神经系统的同时还能保持清醒呢？答案是否定的。虽然演化过程创造了许多奇迹，但是演化过程毕竟是生物的随机变化加自然选择的结果，没有设计，没有方向，只能在已有的基础上加以修改，而无法推倒重来。
我们能找到许多一直保留着诞生时印记的演化例子。
01 最早的生命是RNA的世界，蛋白质也是由RNA分子催化合成的。经过40亿年左右的演化，生物体内几乎所有的化学反应都改由蛋白质分子来催化，但是蛋白质分子自己的合成仍然由RNA分子催化。 02 最初的细胞是在钾离子浓度远高于钠离子浓度的水溶液中形成的，尽管地球上的水环境早就变为钠离子浓度远高于钾离子浓度，但所有生物细胞内的钠离子浓度还是远低于钾离子浓度，细胞不得不消耗大量的能量，不断将钠离子泵到细胞外，再将细胞外的钾离子泵进来。
动物利用了细胞外钠离子浓度高的状况，发展出了神经系统。而植物没有神经系统，也不需要钠离子，所以对水中的氯化钠能躲就躲。 03 原初细胞是在大气中没有氧的还原环境中形成的，也只能够在还原环境中才能运作。尽管22亿年前大气中就出现了氧气，所有生物的细胞内仍然保持还原环境。为此细胞内有高浓度的谷胱甘肽，也有各种抗氧化的酶，但是“抗氧化”仍然是一项艰巨的任务，也成为保健行业最常宣传的内容。 04 脊椎动物的眼睛是从位于文昌鱼神经管两边的感光神经细胞和色素细胞演化而来的，神经细胞发出的轴突一开始就在光线来的方向，导致后来所有脊椎动物眼睛的视网膜都是倒贴的，即突触位于光线来的方向，而感光结构背朝着光线来的方向，与色素层紧贴。虽然动物对这种状况进行了弥补，例如发展出黄斑来获得清晰的图像，但是盲点和视网膜容易脱落的缺点始终无法克服。
文昌鱼是一种极为古老的脊索动物，对研究脊椎动物演化非常关键 （图片来源：Wikipedia） 05 精子生成过程对较高温度的敏感性也是温血动物绕不过去的一道“坎”。出于还不清楚的原因，生精过程在高于35℃的环境中就不能正常进行。这在冷血动物中不是问题，但是哺乳动物的体温常常高达37℃。在海中生活的哺乳动物如鲸类和海豚可以用流过体表的海水冷却后的血液给睾丸降温，所以这些哺乳动物可以将睾丸留在体内。
而在陆上生活的大型哺乳动物（包括人类），由于空气的冷却效果比水小得多，被迫产生精子的睾丸置于体外的阴囊中，以躲避体内的温度。隐睾症就是睾丸没有下降到阴囊中，仍然停留在体内，而它总是会导致不育。然而将这样重要的器官置于体外，更容易受到伤害，的确不是一个好的“设计”，说明这是这些动物“不得已”而采取的措施。
点击查看↓↓↓ 打开布局模式 陆地哺乳动物的睾丸都暴露在外 （图片来源：Flickr） 神经系统也一样，基于神经脉冲的信息传递和分析系统一旦建立，就没有推倒重来的机会。计算机是人发明的，可以彻底改变运作方式，例如不再使用基于硅基半导体的线路，而改用碳纳米管，或者使用量子计算机。
除了神经系统必须睡觉，人类大脑处理信息的能力也已经没有多少进一步改善的空间。神经脉冲产生和传递的方式决定了信息传递的速度最多可以达到每秒100米左右，比起计算机中信息的传递速度慢300万倍。而且这还是在向肌肉传输信息的最粗的有鞘神经纤维的速度。
在我们的大脑中，许多神经纤维都很细，而且没有髓鞘，传输信息的速度只有每秒0.5米至几米。假设大脑中神经系统传输信号的速度为每秒1米，大脑的直径约为20厘米，信息从大脑的一侧到另一侧就需要0.2秒。如果信息处理需要信息的来回传递，需要的时间就更长了。我们每秒钟最多可以阅读十来个字，而计算机可以在数秒内扫描数据库里面的所有文献。
具有髓鞘的神经纤维更粗，传导信息的速度更快 （图片来源：Wikipedia）
增加神经纤维的粗度，或者增加神经细胞的数量，必然会使大脑的体积更大，信息传输的距离更长，拖慢大脑处理信息的速度，因此人类大脑的功能已经逼近生理极限。幸运的是，人类已经发展出足够的智力，能够设计建造大脑外的信息传输和处理系统，并且使其不断完善。同样重要的是，这些系统不是基于神经细胞的，它们也不睡觉。
睡眠的新解释， 也许藏在另一套神经系统中
科学家们最近在栉水母中发现了另一类神经系统。它和我们上面谈的神经系统有些相似，但是又有重要的区别，很可能是栉水母独立发展出来的。
栉水母（ctenophore）曾经被认为是水母（jellyfish）中的一种，因为它像水母那样身体透明，大部分为胶质组成，在海水中漂浮，食物消化后的残渣也主要从口排出。栉水母的神经系统也为网状，没有脑，和水母的神经系统类似。由于这些原因，栉水母曾经和水母一起，被归于腔肠动物门（coelenterata），即口也同时是肛门的动物。
栉水母以其梳齿一样的栉板命名 （图片来源：Wikipedia）
但其实栉水母和水母在身体构造上有诸多不同：水母通过伞盖的收缩运动，运动方向与口的方向相反；而栉水母是依靠纤毛的摆动，这些纤毛被安排在数行（一般为8行）栉板上，摆动方向使得栉水母运动时，口的方向朝前。每一行的形状像梳子，每个栉板像梳子的梳齿，因此英文名为comb jelly，中文用代表梳子的“栉”字译为栉水母。水母和水螅一样，为“刺细胞动物”（cnidarian），通过发射触手上带倒钩的刺来捕获猎物，而栉水母没有刺细胞，通过触手上的粘细胞分泌的粘液粘住猎物，因此栉水母并不是刺细胞动物。
在过去的长时期中，海绵被认为是最原始的多细胞动物，因为海绵身体构造简单，不运动，也没有神经系统。近年来，科学家通过全基因组测序，发现栉水母可能是最早分化出去的多细胞动物，其余的多细胞动物才发展成为海绵、丝盘虫和刺细胞动物。
由于栉水母有神经系统而海绵和丝盘虫没有，这就产生了两种可能性：
一种是神经系统只产生了一次，在所有多细胞动物的共同祖先中就出现了，而海绵和丝盘虫随后“丢失”了神经系统。另一种是神经系统产生了两次，分别是在栉水母中和刺细胞动物中产生，而所有其他动物后来的神经系统都是刺细胞动物的神经系统发展而来的。
随后的研究表明，神经系统出现过两次，即在栉水母和刺细胞动物分别独立出现的可能性更大。栉水母的神经系统和所有其他动物的神经系统也显著不同，是另一类神经系统。
首先，栉水母的神经系统的组成就和其他动物神经系统的组成不同。用任何用来标记其他动物神经系统的标记物如ELAV（embryonic lethality and abnormal）和Musashi（二者皆为RNA结合蛋白）都无法标记栉水母Mnemiopsis leidyi的神经细胞。ELAV和Musashi这两个蛋白在栉水母中也有表达，但不是在神经系统中，因此栉水母的神经系统只能使用其表达的神经肽递质的抗体来标记。
栉水母也不使用其他动物常用的神经递质，包括血清素、乙酰胆碱、多巴胺、正肾上腺素、肾上腺素、奥克巴胺、组胺、甘氨酸等，而主要使用谷氨酸作为最主要的神经递质，而且栉水母中谷氨酸受体基因远比其他动物的多。栉水母也使用肽类物质作为神经递质，但是其13个神经肽前体的序列不与任何其他动物的神经肽相似。
栉水母的神经系统结构 （图片来源：Burkhardt P. Ctenophores and the evolutionary origin (s) of neurons[J]. Trends in Neurosciences, 2022.）
栉水母的神经系统构造复杂，有上皮下神经网（subepithelial nerve network, SNN），星型神经细胞、感觉身体位置的平衡器，以及布满表皮的感觉神经细胞。在上皮下神经网中， 5个神经细胞发出的神经纤维不分树突和轴突，也不用突触彼此相连，而是这些神经纤维直接相连，组成网状结构。神经纤维的细胞膜彼此融合，形成一个合胞体（syncythium），即5个神经细胞有连通的细胞质。这些神经纤维成结节状（blebbed），类似念珠，珠内有装有神经递质的小囊，珠之间的细连接则只能够让微管纤维通过。
另外6个星形神经细胞发出神经纤维与这个上皮下神经网密切接触，但是没有突触形成，这些神经纤维也不成念珠状。
平衡器中的神经细胞，以及身体表面的感觉神经细胞，都通过化学突触与上皮下神经网相连。这个神经网也通过化学突触与控制纤毛运动的细胞相连，而且从神经网的任何部分都可以发出突触，包括从细胞体上发出突触。突触可以是单向的，也可以是双向的，即突触的两边都含有分泌神经递质的小囊。
从神经细胞的这些连接方式来看，上皮下神经网络可能是接收并处理信息，并且发出指令的地方。但是在这个网络中，5个神经细胞的细胞质是一个整体，信息如何在网络中传递，如何分析，如何发出指令，现在还完全不清楚。
栉水母神经系统的这些特点支持神经系统两次独立产生的观点，也给其他所有动物的神经系统一个对照比较的对象。或许在未来，当我们对栉水母的神经系统了解更深入之后，有机会从新的视角看待睡眠现象，从而提出更新更有深度的解答来。
结语
通过本期文章，我们知晓睡眠行为经过了几亿年的演化，至今仍对地球上的动物至关重要。对日常行为深入了解，或许能帮助我们更好地生活。在学习了这么多知识后，今天，就请放下手机，按时上床睡觉，让自己的神经系统好好休息吧。
作者：朱钦士
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发表于 2024-1-2 10:03:50
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