這篇原載于《環(huán)球科學(xué)》2020年1月新刊的文章，解讀了一項(xiàng)近期研究取得的進(jìn)展：在一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)五年的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家探究了睡眠期間的大腦活動(dòng)，從而確定了負(fù)責(zé)產(chǎn)生夢(mèng)境的大腦區(qū)域。但一個(gè)令人生畏的場(chǎng)景是，隨著技術(shù)的發(fā)展，也許在未來，我們的夢(mèng)境可以被破譯……
夢(mèng)從哪里來？為何我們的大腦能夠每夜毫不費(fèi)力地生成故事和圖片？利用現(xiàn)有的技術(shù)，我們能夠?qū)崒?shí)在在地記錄下這些轉(zhuǎn)瞬即逝的夢(mèng)境嗎？
美國(guó)芝加哥大學(xué)的歐赫內(nèi)·阿瑟林斯基（Eugene Aserinsky）與納塔涅爾·克萊特曼（Nathaniel Kleitman）于上世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)快速眼動(dòng)（REM）睡眠之后，這些問題的答案似乎變得觸手可及。當(dāng)時(shí)，兩位科學(xué)家通過在頭皮、眼球附近和肌肉上放置電極（即通過腦電圖、眼電圖和肌電圖）來記錄大腦活動(dòng)，首次觀察到了一種特殊的睡眠階段。在這一階段，大腦神經(jīng)元十分活躍，與清醒狀態(tài)極為相似，因此這種睡眠也被稱為“異相睡眠”。
另外，他們觀察到，在大腦高度活躍的同時(shí)，眼球也會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的快速移動(dòng)。根據(jù)這種特征，他們決定用“快動(dòng)眼睡眠”（rapid eye movement）的英文首字母縮寫REM來指代這一睡眠階段。
這些發(fā)現(xiàn)激發(fā)了兩位科學(xué)家的好奇心，他們叫醒了實(shí)驗(yàn)中處于REM睡眠階段的自愿者，并詢問他們?cè)谛褋碇笆欠褡隽藟?mèng)。結(jié)果表明，有74%的自愿者記得自己做了夢(mèng)。而在其他睡眠階段（也被稱為非快速眼動(dòng)睡眠，或NREM睡眠），這一比例則降至17%。因此我們也不難理解，為何研究人員在最初發(fā)表這些結(jié)果的時(shí)候，聲稱他們找到了“能夠確定夢(mèng)是否會(huì)出現(xiàn)以及出現(xiàn)頻率的方法”。
這一非同尋常的發(fā)現(xiàn)使得許多科學(xué)家開始重復(fù)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。他們意識(shí)到，與其詢問自愿者們是否做了夢(mèng)，不如問問他們“蘇醒之前腦海中出現(xiàn)了什么”。這樣一來，即使處于其他睡眠階段，在70%的情況下他們也能得到有關(guān)夢(mèng)境的答復(fù)。但如今我們已經(jīng)知道，發(fā)生在NREM睡眠與REM睡眠中的夢(mèng)境常常難以區(qū)分。
這一發(fā)現(xiàn)給睡夢(mèng)研究領(lǐng)域帶來了更多的謎團(tuán)。與REM睡眠相反，NREM睡眠中大腦的活躍度很低，在腦電圖中顯示的主要是平緩的波浪線，即低頻的慢波。那么，大腦為何在活躍度如此不同的兩個(gè)睡眠階段都能產(chǎn)生夢(mèng)境呢？
相關(guān)的解釋層出不窮——有些研究者總結(jié)，大腦活躍度與做夢(mèng)并無關(guān)聯(lián)；有些人堅(jiān)稱夢(mèng)并不發(fā)生在睡眠中，而是剛蘇醒時(shí)思緒混亂導(dǎo)致的虛假記憶；還有一些人則懷疑NREM睡眠中產(chǎn)生的夢(mèng)境由REM睡眠的入侵造成。
由于這些不確定性，夢(mèng)在科學(xué)世界被視作是一個(gè)模糊、有爭(zhēng)議、難以甚至無法探究的話題。的確，探索夢(mèng)的本質(zhì)時(shí)會(huì)遇到種種阻礙，因?yàn)閴?mèng)轉(zhuǎn)瞬即逝，很快就會(huì)被人們遺忘，而且夢(mèng)境的內(nèi)容總是出人意料，難以用語言描述。由于以上原因，研究人員需要在夜晚喚醒自愿者，以便收集與夢(mèng)有關(guān)的證據(jù)，但這對(duì)于自愿者和研究人員雙方來說都不是什么愉快的經(jīng)歷。此外，還有技術(shù)層面的困難需要攻克。為了正確描述與夢(mèng)有關(guān)的大腦活動(dòng)特征，需要毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率和精確的空間分辨率，來識(shí)別大腦不同區(qū)域的電活動(dòng)。幸運(yùn)的是，近年來取得的一些技術(shù)進(jìn)步提高了我們研究睡眠的可能性。
高密度腦電圖（high-density EEG）技術(shù)相較于傳統(tǒng)的腦電圖有了明顯的改善，科學(xué)家能在一頂腦電帽上裝配多達(dá)256個(gè)電極。除了能夠達(dá)到出色的時(shí)間分辨率（毫秒級(jí)），該技術(shù)還能通過“信源模型”（source modeling），即利用數(shù)學(xué)算法計(jì)算出產(chǎn)生大腦活動(dòng)的源頭，實(shí)現(xiàn)大腦不同區(qū)域的電活動(dòng)的高精度可視化。因此，在任何給定時(shí)刻，研究人員都能夠通過高密度腦電圖了解到，大腦皮層的哪些區(qū)域正處于活動(dòng)狀態(tài)。此外，腦電帽具有較高的舒適度，戴著它也可以在床上不受干擾地入睡。
近年來各種研究表明，同一時(shí)刻大腦各區(qū)域的睡眠狀態(tài)并不一致，這引起了科學(xué)家極大的興趣。盡管我們?cè)缇椭篮ｋ啻竽X的兩個(gè)半球是交替入睡的，但是人類的“局部睡眠”現(xiàn)象卻是最近才發(fā)現(xiàn)的。利用諸如高密度腦電圖和顱內(nèi)記錄等技術(shù)來近距離觀察神經(jīng)元之后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，通常用于表征睡眠的慢波并不會(huì)在大腦的所有區(qū)域同時(shí)產(chǎn)生，而是局限于部分區(qū)域，而其余區(qū)域則觀察不到。換句話說，在某些時(shí)刻，大腦的部分區(qū)域可以被認(rèn)作是“清醒的”，而與此同時(shí)，其他區(qū)域卻在“睡覺”。夢(mèng)游就是一個(gè)“半睡半醒”狀態(tài)的極端例子，它發(fā)生在深睡階段，夢(mèng)游者雖然能夠活動(dòng)，但大腦并不完全清醒。
人類自身的生理?xiàng)l件也能讓睡眠和清醒兩種狀態(tài)混合在一起。比如，當(dāng)一夜的睡眠即將結(jié)束時(shí)，大腦的某些區(qū)域已經(jīng)醒了，而其他區(qū)域仍表現(xiàn)為睡眠狀態(tài)才有的慢波。這種差異性是否多多少少反映了夢(mèng)的存在及其特質(zhì)？
為了回答這個(gè)問題，在美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的威斯康星睡眠與意識(shí)研究中心，中心主任朱利奧·托農(nóng)（Giulio Tonon）和我們一起開展了一項(xiàng)宏偉的研究。我們招募了一批健康的自愿者，他們?cè)敢夥窒碜约旱膲?mèng)境，并同意睡在實(shí)驗(yàn)室里。研究的第一階段，我們讓自愿者回家睡覺，并要求他們記錄下每次睡醒前腦海里的最后片段。一開始，他們發(fā)現(xiàn)很難回憶起最后一場(chǎng)夢(mèng)境；但兩周之后，由于不斷重復(fù)深夜的任務(wù)，這些自愿者已經(jīng)足夠?qū)I(yè)。于是，他們順利進(jìn)入了第二階段的任務(wù)——在實(shí)驗(yàn)室里過夜。
實(shí)驗(yàn)是這樣進(jìn)行的：到了晚上，自愿者戴上高密度腦電圖的專用腦電帽，然后進(jìn)入一間沒有窗戶的隔音房間睡覺。這樣一來，自愿者的睡眠不會(huì)被打擾，而且能保證實(shí)驗(yàn)始終在相同的條件下進(jìn)行。研究人員在另一個(gè)房間里，觀察計(jì)算機(jī)屏幕上自愿者大腦活動(dòng)的波形變化。每隔15~30分鐘，一名研究人員就會(huì)利用計(jì)算機(jī)發(fā)出聲音以喚醒自愿者，并通過對(duì)講機(jī)詢問他們最近一次做夢(mèng)的內(nèi)容。
在長(zhǎng)達(dá)五年的實(shí)驗(yàn)中，我們重復(fù)了近一千次喚醒過程，并記錄下了數(shù)百條與夢(mèng)有關(guān)的信息。自愿者描述的夢(mèng)境五花八門，令人驚嘆——與朋友的對(duì)話、一個(gè)抽象的想法、佛祖腹部的清晰圖像、某人面孔的模糊記憶、電影般復(fù)雜的長(zhǎng)篇故事的最后一幕……但有時(shí)，自愿者報(bào)告他們沒有做任何夢(mèng)，就好像從完全無意識(shí)的狀態(tài)中醒來。并且，這種情況不單單發(fā)生在深睡階段，也會(huì)發(fā)生在REM睡眠階段。
這些觀察為我們研究與意識(shí)相關(guān)的大腦活動(dòng)提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。夢(mèng)可以被視作意識(shí)的一種特殊表現(xiàn)形式，會(huì)在我們與外界失去聯(lián)系時(shí)出現(xiàn)。做夢(mèng)時(shí)，大腦可以在不受環(huán)境刺激的情況下創(chuàng)造一系列畫面。盡管夢(mèng)境是虛構(gòu)的，但夢(mèng)中的經(jīng)歷與我們白天清醒時(shí)的經(jīng)歷有諸多相似之處——夢(mèng)中我們也會(huì)看見圖像、聽見聲音，也會(huì)思考和感受情緒。在睡眠過程中，有時(shí)大腦會(huì)陷入無意識(shí)狀態(tài)，因此我們可以參照意識(shí)活動(dòng)進(jìn)一步了解大腦是如何在睡眠中運(yùn)作的。換句話說，我們能夠研究與意識(shí)相關(guān)的大腦神經(jīng)元。
對(duì)比做夢(mèng)時(shí)的大腦活動(dòng)和從無意識(shí)狀態(tài)醒來前的大腦活動(dòng)，我們可以發(fā)現(xiàn)做夢(mèng)的時(shí)候，大腦低頻活動(dòng)少，高頻活動(dòng)多。這種差別并不是普遍存在，而僅僅出現(xiàn)在被稱為“后皮質(zhì)熱區(qū)”（posterior cortical hot zone）的大腦后側(cè)區(qū)域。它包含視覺區(qū)及其他區(qū)域（如楔前葉和后扣帶回），能夠?qū)⒉煌问降母泄袤w驗(yàn)整合到一起。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，要在睡眠時(shí)產(chǎn)生意識(shí)，并不需要激活整個(gè)大腦皮層。產(chǎn)生夢(mèng)中意識(shí)的后皮質(zhì)熱區(qū)實(shí)際上是一個(gè)相對(duì)狹窄的區(qū)域。
另一大驚人之處在于，無論是在NREM睡眠中，還是在REM睡眠期間，做夢(mèng)都與后皮質(zhì)熱區(qū)的激活有關(guān)。這一現(xiàn)象首次向我們解釋了，為什么在大腦活動(dòng)特點(diǎn)十分不同的兩個(gè)階段我們都有可能做夢(mèng)。換而言之，夢(mèng)的形成不需要全腦的參與，而僅需要激活后皮質(zhì)熱區(qū)這一特定區(qū)域即可。當(dāng)自愿者明確記得自己做過夢(mèng)時(shí)，即便他們想不起夢(mèng)的內(nèi)容，后皮質(zhì)熱區(qū)內(nèi)的低頻活動(dòng)也比高頻活動(dòng)少。這似乎表明，后皮質(zhì)熱區(qū)中慢波的變化決定了夢(mèng)是否存在，但無法決定我們能否記住夢(mèng)的內(nèi)容。我們觀察到，與被遺忘的夢(mèng)不同，當(dāng)大腦多個(gè)區(qū)域被激活時(shí)，夢(mèng)才會(huì)被記住。
除此之外，我們還觀察到，在REM睡眠階段，某些夢(mèng)的內(nèi)容與大腦特定區(qū)域的激活緊密相關(guān)。與之相似的是，如果大腦在清醒階段感知相同的內(nèi)容，這些區(qū)域也會(huì)被激活。舉個(gè)例子，當(dāng)自愿者夢(mèng)到人臉的時(shí)候，梭狀回面孔區(qū)會(huì)被激活，而在清醒狀態(tài)下感知人臉時(shí)也是如此。盡管這一切看起來似乎理所當(dāng)然，但卻是科學(xué)界邁出的重要一步：它表明夢(mèng)境反映了睡眠中產(chǎn)生的種種經(jīng)歷，因此夢(mèng)并不像許多學(xué)者所認(rèn)為的那樣，只是蘇醒時(shí)產(chǎn)生的虛假記憶。
在最近的一次實(shí)驗(yàn)中，我們想弄明白是否有可能實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)自愿者的夢(mèng)境。在監(jiān)測(cè)自愿者后皮質(zhì)熱區(qū)的活動(dòng)時(shí)，只要NREM睡眠階段中高低頻活動(dòng)的比例超過一定數(shù)值，我們就會(huì)把他們叫醒。如果高頻活動(dòng)遠(yuǎn)超低頻活動(dòng)，我們就會(huì)猜測(cè)自愿者正在做夢(mèng)。通過這種方法，我們?cè)陬A(yù)測(cè)自愿者是否做夢(mèng)時(shí)，能夠達(dá)到87%的正確率。
我們的研究成果解開了睡夢(mèng)研究領(lǐng)域內(nèi)的許多謎團(tuán)，但卻也引發(fā)了其他問題：是否有一天，后皮質(zhì)熱區(qū)能幫助我們預(yù)測(cè)，一個(gè)人在睡眠狀態(tài)或其他非清醒狀態(tài)下（例如昏迷或全身麻醉時(shí)）是否具有意識(shí)？后皮質(zhì)熱區(qū)是如何被激活的？出現(xiàn)在夢(mèng)境中的圖像是如何被決定的，其功能又是什么？我們有可能預(yù)測(cè)夢(mèng)的大部分內(nèi)容，甚至是整個(gè)夢(mèng)境嗎？
曾有科學(xué)實(shí)驗(yàn)嘗試回答這些問題。日本奈良先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)的神谷之康（Yukiyasu Kamitani）等人于2013年在《科學(xué)》（Science）上發(fā)表的一項(xiàng)研究表明，也許我們很快就能實(shí)時(shí)查看夢(mèng)的內(nèi)容。通過激活視覺區(qū)域（也包括后皮質(zhì)熱區(qū)）和運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，神谷的研究團(tuán)隊(duì)在自愿者入睡后利用核磁共振成像（MRI）成功破譯了他們的夢(mèng)境，并以視頻的形式進(jìn)行了重建。
其中一段視頻展現(xiàn)了一系列與信件、數(shù)字和書法有關(guān)的圖像，然后自愿者解釋了自己的夢(mèng)境：“我記得自己看到了一些字。夢(mèng)里出現(xiàn)了一個(gè)類似于信紙的東西，可以在上面寫字。我看了信紙上的字，是黑白的，并且除了這張信紙周圍什么都沒有。在那之前我還觀看了一場(chǎng)電影，電影里有一個(gè)人，但我記不清楚了。”這個(gè)例子表明，基于人工智能的發(fā)展，我們或許可以預(yù)見睡著后夢(mèng)境的大致內(nèi)容。
隨著數(shù)據(jù)分析技術(shù)的進(jìn)步，也許在不遠(yuǎn)的將來，我們能更容易地獲取不同的睡眠階段甚至清醒狀態(tài)下的類似視頻資料。這樣的進(jìn)步不僅可以滿足我們想解讀夢(mèng)境與思想的好奇心，而且有更重要的臨床意義：比如將經(jīng)歷過腦部創(chuàng)傷、無法對(duì)刺激做出反應(yīng)的病人腦中發(fā)生的事情可視化，或許有助于醫(yī)生判斷病人是具有意識(shí)、還是處于昏迷狀態(tài)，從而制定更好的治療方案。這些數(shù)據(jù)還有助于我們理解大腦是如何生成自己的現(xiàn)實(shí)世界的：與清醒狀態(tài)下的外部現(xiàn)實(shí)世界相比，腦海中的現(xiàn)實(shí)（如夢(mèng)境）有什么不同？當(dāng)腦海中的現(xiàn)實(shí)與我們感知到的外部世界發(fā)生沖突時(shí)（如患有幻覺癥的精神病患者），又會(huì)發(fā)生什么？或許與夢(mèng)有關(guān)的科學(xué)研究能夠提供一個(gè)新的出發(fā)點(diǎn)，盡管目前的發(fā)現(xiàn)仍不足以回答此類問題。
作者介紹：弗蘭切斯卡·西克拉里是瑞士洛桑大學(xué)醫(yī)院的神經(jīng)學(xué)家及睡眠醫(yī)學(xué)專家。她領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)正在試圖弄清，正常人的大腦以及睡眠障礙（失眠癥）患者的大腦如何產(chǎn)生夢(mèng)境。
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