抓住脑波节奏

这场神经上的足球赛——术语叫做相对历程理论(opponent process theory) ——的特色在大脑的脑波,我们可用一种网状的脑波仪来来侦测大脑表面的电流,藉此观察到脑波。

白天由白队完全掌控,你的大脑那时的电流形态叫做β波(beta wave,贝塔波);晚上当黑队崛起时,β波就被比较放鬆的α波(alpha wave,阿尔法波)所取代,它使你爱睡,眼皮睁不开,最后你进入睡眠状态。在这过程中,你的大脑往下经历三个阶段,逐渐到达深度睡眠(deep sleep)。这个最深度的睡眠特徵是脑波变得很大,叫δ波(delta wave,德尔塔波),这就是「慢波睡眠」(slow-wave sleep, SWS),在这个时候是很难把人叫醒的。我们的睡眠约九十分钟一个週期(cycle),婴儿约六十分钟。

但是很难并不是不可能,事实上,在一个半小时之后,你的大脑会自动把你叫醒。很大、很慢的δ波开始退去,你开始沿着睡眠阶段逐渐往回走,也就是说「越来越不想睡」。这时,你的眼球开始跳动,为什幺要跳,也没有人知道,这个阶段叫做「速眼动睡眠」(rapid eye movement, REM,又称快速动眼睡眠)——事实上是速眼动睡眠一(REM-1)。它跟前面的深度睡眠在质上很不同,因此前面的睡眠叫做「非速眼动睡眠」(non-REM sleep,又称非快速动眼睡眠)。在速眼动期你比较容易被叫醒。

但是如果一切正常的话,你不会醒来,黑队会继续主导局面,你经历速眼动睡眠一阵子后,又重複前面三个阶段,进入深度睡眠,大而祥和的δ波再度出现,使你在那里再睡六十分钟。

前面为什幺说速眼动睡眠——(REM-1),是因为它只是你那天晚上经历很多阶段的第一个,你基本上还会再经历四个速眼动睡眠,那一夜才会过去。每一个速眼动睡眠后面都伴随一组深度睡眠,只有在第五个速眼动睡眠之后,白队才开始反攻,从黑队手中夺回赛场,让你开始白天的工作。两队之间的摆荡完全没有暂停时间,不会插播广告,即便你是千百个不愿意,白队白天就是要叫你起来,黑队晚上就是要叫你睡觉。

直到你步入老年,情况开始有所不同。它们还是想维持这个你来我往的节奏,但是越来越力不从心。

上面是我们怎幺睡觉,但是为什幺要睡觉呢?这个答案就像你心情不好一样的明显。当你不睡觉时,你脾气暴躁、容易生气,一点小事就跳起来,最主要的是,你觉得累。所以睡眠一定跟充电、恢复体力有关,对吗?

错,至少一部分错。生物能量的分析显示睡觉时,只有节省一百二十卡路里的能量,等于一碗汤的热量,而这都要怪你的大脑,因为它用掉你摄取能量的百分之二十,而且为了让你活命,它得一天二十四小时、一週七天待命,全年无休。只节省一碗汤的能源实在不怎幺样,所以恢复体力不是我们睡觉的原因。

那幺,为什幺我们要睡觉呢?从演化的观点来看,在东非大草原上,即使躺下来睡十分钟都是不智之举,尤其在黑夜。然而,我们却每天都躺在大草原上,麻痺不动几个小时,而这个期间正是花豹出没的时间,为了节省一百二十卡路里,这代价未免太大了。

直到最近,研究者才找出一些端倪,这些洞见对我们年老的大脑有很重要的关係。本章就两个最大的突破点来谈一下,我们为什幺要睡觉。

睡觉是为了学习(第一重大发现)

第一个突破来自记忆的研究。如你所知,你的大脑白天忙着记录各种活动,有些可以忘记,有些很重要,有些需要时间做进一步的处理。你的记忆系统不停地在工作,大脑至少有两个区块在忙记忆的事情。

第一个是皮质,是大脑最外层的组织,像包装纸一样包覆着脑,跟智力有关。第二是海马迴,我们前面经常提到这个形状像海马、深藏在皮质下的结构。这两个地方彼此有神经迴路密切连接,当记忆形成时,电流在迴路上跑来跑去,像青少年在传简讯一样互相交流。这个电流活动把记忆的碎片保留住,稍后再来进一步的处理。

稍后是什幺时候呢?科学家现在知道是「稍后的那天晚上,慢波睡眠的时候」。在你深度睡眠的时候,你的大脑重新活化白天的记忆,把那个贴着「稍后处理」的记忆拿出来,接着大脑会重複白天的电流形态几千次来强化连接,固化这些讯息,这叫离线处理(offline processing)。假如你不重新活化这些记忆,这些记忆就不能保存太久。

这些研究发现无疑给我们投下一颗震撼弹,所以你需要睡觉不是为了休息而是为了学习。晚上当你眼睛闭上,没有外界的讯息进来轰炸你、跟你抢注意力的资源时,是处理白天来不及处理的讯息的最好时候。

研究也发现睡眠有助于其他的功能,如帮助消化、维持免疫系统活跃。我们终于慢慢开始了解人为什幺要睡觉,不是因为我们需要休息(rest),而是我们需要重新启动(reset),当你休息的功能出问题,重新启动就变成一个挑战了。

很不幸,这就是你年老时的状况。

慢效应的酸液

我在楼下有个盒子,每次我看到它都会沮丧,因为里面是我孩子小时候的录影带。

为什幺要沮丧?并不是因为影片的内容,那些录影带是我最珍贵的记忆,我会沮丧是因为影片的储存方式,是VHS格式。我最近才发现,如果我把这些带子留在原来的地方,就等于把它放在慢效应的酸液中,它们会开始化学侵蚀,随着时间逐渐流失里面的讯息。这种自然的分解并不是马上产生,它跟环境的因素有关,如温度、湿度。假如我什幺都不做,里面的讯息就会流失——正确来说是会变得破碎。若储存在六十度的温度(假设湿度是合理的),十六年后,带子会碎掉;若是增加温度到七十度,那幺八年带子就碎掉。而我最老的带子是十九年,你说我怎幺会不沮丧?

老化就跟自然的风化一样,不论你的讯息是储存在磁带里,或是储存大脑的认知历程中,都会受到自然风化的损坏。而睡眠的历程也不能免疫。简单的说,睡眠历程也会退化,就像是你大脑中的 VHS录影带一样,你的睡眠也变得破碎了。

尤其慢波睡眠在你年老后会减少。在你二十几岁时,你晚上大约花百分之二十的时间徜徉在疗癒的慢波中,让它修补你的身体。但是到你七十岁时,你的慢波睡眠只剩下百分之九,而处理记忆、清除垃圾都得在慢波睡眠时进行,你就了解睡眠的必要性了。

为了说明睡眠的改变,我举一个典型的夜晚休息为例,比较两个人的睡眠,一个年轻、一个年老。

假设一个慈祥的祖母和她二十岁的孙子诺亚,都在晚上十一点钟上床睡觉。十分钟以后,孙子顺利地进入非速眼动睡眠,在午夜十二点以前已经悠游于慢波之中了。

祖母也做同样的事,但历程就没有这幺平顺。她一样由浅入深地睡觉,但是在进入第二阶段的非速眼动睡眠时,她突然好像从睡眠的波浪中起来换气,在晚上十一点半左右醒了过来。现在她要重新入睡。她也在午夜之前到达了慢波睡眠,但是跟诺亚不同的是,她在慢波睡眠停留得不久,十二点半时她又醒来了,又得重新入睡。她像乒乓球一样,往返整夜,最后一次到达慢波睡眠约是凌晨两点半,假如她真的有到的话。她的经验叫做碎片睡眠(sleep fragmentation)。诺亚就不一样了,他很平顺的经过了四到五次的非速眼动/速眼动睡眠週期,在慢波的海洋里愉快地游了四次,一觉睡到天亮。

又是什幺因素控制着诺亚和他祖母的睡眠经验呢?要说明这一点,我得带你去科罗拉多州(Colorado)的波德(Boulder)走一遭。

控制全世界的小钟

在科罗拉多州的群山中,埋着一个小小的机器,它的摧毁力比世界上所有的核子弹综合起来还更强,假如这项科技停止运作,人类文明将会变成人质。警察、消防和紧急救护的沟通系统会突然中断;供电系统会失去同步性,然后超载,造成全世界的灾难性停电;华尔街和全球金融部门会突然动弹不得,好像癫痫发作一样;高速市场交易会冻停在数字灯上;卫星通讯会中断,导致飞机飞到一半不知身在何处,假如你在用手机的卫星导航开车的话,你也会不知道你在何处。不过无所谓,反正电话本来就不通了,你的手机也只能拿来玩之前下载的《愤怒鸟》。整个文明会像瘸了瞎了似地停摆。

什幺样的毁灭仪器有可能让现代人类经验付出这幺大的赎金?这答案似乎平淡无奇,埋在科罗拉多山中的是一个小钟,驱动它的引擎只有一个原子的大小,这个东西叫做NIST-F2,是世界上最準确的原子钟(atomic clock)。它利用铯(cesium)原子内部的天然振动来决定什幺是「秒」,全世界大多数的基础设施都要和它同步,只要它无恙,世界文明就可以蓬勃发展。这个强大的计时器要三亿年才会误差一秒。

你的大脑内部也深埋着一个小小的神经组织,只有两万个神经元而已,叫做上视神经叉核(suprachiasmatic nucleus, SCN,又称视交叉上核),位在你眼睛后方几英寸的地方,掌管着你身体的心律调节器,相当于掌管着人类文明的铯原子钟。它是透过电流的输出、荷尔蒙的分泌和基因展现的型态来决定它的天然节律,而且是可以测量得到的。这些细胞的节律本能之强,强到你可以把它们从大脑中抽出,放在培养皿中,它们还是会依二十四小时的週期有节律地跳动。它们控制着科学家称之为人身体的昼夜系统(circadian system)。

而它就是为什幺你不能像过去一样睡个好觉的原因。

这个昼夜系统就像一个故步自封的独裁者一样独立运作,然而它的行程却是可以改变的——这是我们有一点点能力可以控制睡眠的原因。上视神经叉核直接从眼睛接受白天的讯息,透过视网膜投射(retinal projection)感应光线,能帮助上视神经叉核调整自己的节律和地球自转同步。接着上视神经叉核用这些资讯使你在晚上昏昏欲睡、白天维持清醒。(这个功能不是控制睡眠的唯一因素,身体的核心体温等等也很重要。上视神经叉核也不是只有控制睡眠,压力荷尔蒙皮质醇也受到严格的昼夜节律控制,消化也是。这是因身体各处还有许多其他的生理次时钟〔sub-clock〕,它们会跟上视神经叉核相互联繫,以达到节律的同步,就像你的手机会跟铯原子钟同步一样。)

那幺,上视神经叉核如何控制睡眠呢?这个才华洋溢的神经结跟大脑很多区域都有互动,包括脑干(brain stem),这是产生睡眠週期最重要的地方。上视神经叉核透过荷尔蒙如退黑激素(melatonin,又称褪黑激素)来调节人体的生理时钟。

这个荷尔蒙并不是由上视神经叉核所製造,而是由位于它后面几英寸、豌豆大小的松果体(pineal gland)所製造。晚上的时候,上视神经叉核会把松果体的开关打开,褪黑激素就流到血液中,一整夜在血液中循环,直到第二天早上九点左右浓度才大为降低。

失去你的节律

为什幺当我们年纪大了,睡眠会从平顺变成碎片?研究者发现老化的大脑有几个有趣的变化,都跟昼夜节律(circadian rhythm)有关,而且大部分跟上视神经叉核有关。

其实老化并没有影响上视神经叉核的神经元数量或它的整体大小,如果能把祖孙两人的上视神经叉核拿出来检视的话,你会发现,从外表其实分不出来哪个是祖母的、哪个是孙子的。

但是内部结构就不一样了,大部分跟上视神经叉核有关的节律系统因年龄而改变了。电流的输出改变了,分泌调整节律的荷尔蒙的能力消失了,上视神经叉核中产生节律的基因展现下降了。这些对睡眠和清醒都有可测量到的效应,尤其是褪黑激素和皮质醇的浓度。研究者认为这些改变对整个身体有广泛的影响,最主要当然是影响你的一夜好眠,这是为什幺祖母无法一觉到天亮而孙子可以的原因。

这对祖母有没有大碍呢?碎片式的睡眠对祖母的认知有伤害吗?过去研究者会说「有的」。睡眠认知假设(sleep cognition hypothesis)过去认为大部分跟年龄有关的认知缺失可以归因到睡眠不足,但是它被称为「假设」就表示未被证实。最近仔细的检视发现睡眠认知假设太过简单,甚至趋近错误。研究者一开始以为年轻人的数据可以套用到老人身上,下面两个例子可以清楚说明这个错误。

记忆

就像一首歌在你脑海中不停播放一样,大脑在晚上会把白天发生的事拿出来一次又一次地重播。我们前面有谈过这个现象,说它可以帮助记忆固化,形成长期记忆。后来的研究发现这个好处只发生在六十岁以下的人身上,之所以如此,是因为他们发现大脑里有个皮质纹状体网路(corticostriatal network)会随着年龄而改变。这个网路包含跨越左脑与右脑的迴路,且通常负责调节跟目标导向行为有关的感觉。在老人身上,这些迴路不像年轻时那幺活跃。当研究者用测试年轻人的测验,去测试老人大脑的离线处理技术时,发现老人并没有享受到年轻人的那种好处。

执行功能

睡眠不足跟缺乏许多社交上的润滑行为有关,包括执行功能。这个发现来自睡眠剥夺(sleep deprivation)的研究,受试者大部分是自愿的美国大学生,而许多研究者就假设老人家也会有相同的缺陷。但是他们没有,老人的睡眠剥夺实验并没有显示超过基準线的执行功能缺失,包括测量冲动控制、工作记忆和注意力聚焦。

为什幺睡眠不足不会伤害老人家?有些研究者认为自然老化所带来的认知缺失已经差到底,所以无法再差了。认知损伤已经完成,已到达最低点,要再坏也没地方可坏下去,这叫做「地板效应」(floor effect)。不过同样的道理,他们也好不起来、就是这样了。

不过情况并非如此无望,甚至用地板效应来解释也是个错误。《旧约圣经》中的一则故事给了我们一个正确方向。

早早开始

你可能还记得《圣经》中的约瑟,他是雅各的倒数第二个儿子,也是埃及帝国仅次于法老的最高官员。他之所以得到这个位子,是因为在一场世界上最奇怪的工作面试中,他替法老王解释了两个非常费解的梦。第一个梦跟牛有关,有七头母牛从尼罗河中走出来,牠们长得又肥又漂亮,一副懒洋洋,上岸后啃着旁边的草地。紧接着有七头丑陋的牛也出了尼罗河(《圣经》上引用法老王的话:「我从来没有看过这幺丑的牛!」),这几只瘦得皮包骨,看样子在打架。接着好像史蒂芬.金(Stephen King)的恐怖小说情节,这些瘦牛摇身一变成为猎食者,攻击牠们肥美的同胞,把牠们吃掉。第二个梦也是一模一样的恐怖剧本,只不过换了主角(是七枝会兇杀同类的麦穗)。约瑟正确地解梦,指出这两个梦代表了警告,埃及将会有七年的丰收,然后七年的饥荒,假如人们要想存活下去,他们得早早耕地,储存粮食,以备荒年之需。

所以他得到了这个职位。

我们学到什幺呢?为了减少老化后片断式睡眠对我们的影响,要未雨绸缪。假如你不想老的时候认知功能衰退,你得在中年的时候养成好的睡眠习惯。

这就是睡眠研究者史考林(Michael Scullin)的想法。他和一位同事阅读了过去五十年的睡眠论文,从中寻找睡眠型态,他们用下面这几句来综合他们的发现:

现在就养成好习惯,等到认知的荒年来临时,就会看到好处。

相关书摘 ▶《优雅老化的大脑守则》:阿兹海默症最珍贵的研究贡献,来自一群修女

书籍介绍

本文摘录自《优雅老化的大脑守则:10个让大脑保持健康和活力的关键原则》,远流出版
*透过以上连结购书,《关键评论网》由此所得将全数捐赠儿福联盟。

作者:麦迪纳
译者:洪兰

老化不是疾病,就像青春期不是病一样,他是一个自然的历程。此书还告诉我们一个好消息:你的确会越老越聪明,尤其是语意记忆(字彙库)和程序记忆。老人的大脑仍然有弹性,也有可塑性,我们可以把这种丰富的反应模式叫做「智慧」(wisdom)。就像乔治‧柏恩斯的生活给我们的启示 : 他在八十岁时还因热门电影《噢,上帝啊!》(Oh, God!) 赢了一座奥斯卡金像奖。

这个受人瞩目领域现在叫做「老人学」(geroscience)。作者以幽默流畅的笔触,带领读者进行一趟奇幻的脑内探险,有科学理论和观察,让你轻鬆就能明白大脑科学丰硕的研究成果。每个章节也都依据大脑运作的方式,提供一些具有创意的点子,有些方法一点都不困难,读完会让人迫不急待地想运用在生活中。

10个让大脑保持健康和活力的关键原则

Be a friend to others, and let others be a friend to you(做人的朋友,也让别人成为你的朋友)Cultivate an attitude of gratitude(耕耘感恩的态度)Mindfulness not only soothes but improves(正念不但抚慰,同时增进我们的大脑功能)Remember, it’s never too late to learn – or to teach(记住,学习永远不嫌晚,教导别人也是)Train your brain with video games(用电玩游戏训练你的大脑) Look for 10 signs before asking, “Do I have Alzheimer’s?”(在你问 : 「我有没有得阿兹海默症?」之前,先看看你有没有十个症状)MIND your meals and get moving(注意你的饮食,起来动一动)For clear thinking, get enough (not too much) sleep(思考要清晰,先要睡得饱,但不要睡太多)You can’t live forever, at least not yet(你不能永远活着,至少现在还不能) Never retire, and be sure to reminisce(永远不要退休,而且一定要缅怀往事)

依照以上10条大脑守则努力去做,便能优雅、不成为别人负担的老去。

《优雅老化的大脑守则》:为什幺人要睡觉?这些洞见对年老的大脑Photo Credit: 远流出版