【环球科技】
作者弗朗西丝卡·西克拉里，翻译冯英哲。
梦想从何而来？为什么我们的大脑每天晚上都能毫不费力地产生故事和画面？利用现有的技术，我们真的能记录下这些转瞬即逝的梦吗？
(资料图片仅供参考)
在一项为期五年的实验中，科学家们探索了睡眠期间的大脑活动，从而确定了负责产生梦境的大脑区域。
1快速眼动睡眠和其他睡眠
当芝加哥大学的EugeneAserinsky和NathanielKleitman在20世纪50年代发现快速眼动睡眠时，这些问题的答案似乎触手可及。当时，两位科学家通过在头皮上、眼球和肌肉附近放置电极(即通过脑电图、眼电图和肌电图)记录大脑活动，首次观察到特殊的睡眠阶段。在这个阶段，大脑神经元非常活跃，与清醒状态非常相似，所以这种睡眠也被称为“异相睡眠”。
此外，他们观察到，当大脑高度活跃时，眼球也在持续快速地运动。根据这一特征，他们决定用快速运动的首字母缩写REM来指代这个睡眠阶段。
这些发现引起了两位科学家的好奇。他们叫醒了实验中处于快速眼动睡眠阶段的志愿者，并询问他们在醒来之前是否有梦。结果显示，74%的志愿者记得他们的梦。在“其他睡眠阶段”(也称为非快速眼动睡眠或NREM睡眠)，这一比例降至17%。因此，我们也就不难理解，为什么研究人员在首次发表这些结果时，声称他们找到了“一种确定梦是否会出现以及出现频率的方法”。
这个不寻常的发现导致许多科学家重复这个实验。他们意识到，不应该问志愿者是否做梦，而应该问他们“醒来之前，他们的脑海中发生了什么”。这样，即使在其他睡眠阶段，他们也能在70%的情况下得到关于梦的答案。但是现在我们知道NREM睡眠和快速眼动睡眠中的梦通常是无法区分的。
这一发现给睡眠研究领域带来了更多的谜团。与REM睡眠相反，NREM睡眠中大脑的活动非常低，脑电图主要表现为平缓的波线，即低频慢波。那么，为什么大脑可以在两个活动如此不同的睡眠阶段产生梦呢？
相关解释层出不穷——一些研究人员得出结论，大脑活动与做梦没有关联；有人坚持认为梦不是在睡眠中发生的，而是刚醒来时的混乱造成的错误记忆；其他人怀疑NREM睡眠中产生的梦是由快速眼动睡眠的入侵引起的。
资料图片
你是睡着了还是醒着？
由于这些不确定性，梦在科学界被视为一个模糊的、有争议的、困难的甚至是不可能的话题。的确，探索梦的本质会有障碍，因为梦稍纵即逝，很快就会被人遗忘，而梦的内容总是出人意料，难以用语言描述。基于上述原因，研究人员需要在晚上叫醒志愿者，以便收集与梦有关的证据，但这对于志愿者和研究人员来说都不是一次愉快的经历。此外，还有技术上的困难需要克服。为了正确描述与梦相关的大脑活动特征，需要以毫秒级的时间分辨率和精确的空分辨率来识别大脑不同区域的电活动。幸运的是，近年来取得的一些技术进步增加了研究睡眠的可能性。
与传统脑电图相比，高密度脑电图技术有了显著的进步。科学家可以在一个脑电图帽上组装多达256个电极。该技术除了可以实现优秀的时间分辨率(毫秒级)，还可以通过“sourcemodeling”计算大脑活动的来源，即利用数学算法实现大脑不同区域电活动的高精度可视化。因此，在任何给定的时刻，研究人员都可以通过高密度脑电图了解大脑皮层的哪些区域处于活跃状态。此外，脑电图帽舒适度高，戴着它可以睡在床上不受干扰。
近年来，各种研究表明，同一时间不同脑区的睡眠状态是不同的，这引起了科学家们的极大兴趣。虽然我们很早就知道海豚大脑的两个半球交替睡眠，但人类的“部分睡眠”现象只是最近才被发现。在使用高密度脑电图和颅内记录等技术近距离观察神经元后，科学家们发现，通常用于表征睡眠的慢波并不是在大脑的所有区域同时产生的，而是局限于某些区域，而其余区域并没有被观察到。换句话说，在某个时刻，大脑的某些区域可以被视为“醒着”，而其他区域同时在“睡觉”。梦游是“半睡眠”状态的一个极端例子，发生在深度睡眠阶段。虽然梦游者可以移动，但他们的大脑并没有完全清醒。
人类的生理条件也可以混合睡眠和清醒。比如，当一夜的睡眠即将结束时，大脑的某些区域已经醒来，而其他区域仍然只在睡眠状态下呈现慢波。这种差异或多或少反映了梦的存在和特征吗？
为期五年的实验。
为了回答这个问题，在美国威斯康星大学麦迪逊分校的威斯康星睡眠和意识研究中心，该中心的主任GiulioTonon和我们一起进行了一项宏伟的研究。我们招募了一群健康的志愿者，他们愿意分享他们的梦想，并同意睡在实验室里。在研究的第一阶段，我们让志愿者回家睡觉，并让他们在醒来之前记录大脑的最后一部分。起初，他们发现很难回忆起最后一个梦；但是两周后，这些志愿者因为重复的深夜任务，已经足够专业了。于是，他们成功进入了第二阶段的任务——在实验室里过夜。
实验是这样进行的:晚上，志愿者戴上装有高密度脑电图的特制脑电图帽，然后到一个没有窗户的隔音房间睡觉。这样志愿者的睡眠不会被打扰，实验会一直在相同的条件下进行。研究人员在另一个房间，在电脑屏幕上观察志愿者大脑活动的波形变化。每隔15到30分钟，一名研究人员会用电脑发出声音叫醒志愿者，并通过对讲机询问他们最新做的梦。
在五年的实验中，我们重复了近1000次唤醒过程，记录了数百条与梦有关的信息。志愿者描述的梦多种多样，令人惊叹——与朋友的对话，抽象的想法，佛陀腹部的清晰图像，对某人面容的模糊记忆，像电影一样复杂的长篇故事的最后一幕...但有时，志愿者报告说他们没有做任何梦，就像从完全无意识的状态中醒来一样。而且，这种情况不仅发生在深度睡眠阶段，也发生在快速眼动睡眠阶段。
这些观察为我们研究与意识相关的大脑活动提供了一个独特的机会。梦可以看作是意识的一种特殊表现，当我们与外界失去联系时就会出现。做梦时，大脑可以在不受环境刺激的情况下创造出一系列画面。虽然梦是虚构的，但我们在梦里的经历和白天清醒时的经历有许多相似之处——在梦里，我们也能看到图像，听到声音，思考和感受情感。在睡眠过程中，有时大脑会陷入无意识状态，所以我们可以参考有意识活动来更多地了解大脑在睡眠过程中是如何工作的。换句话说，我们可以研究与意识相关的大脑神经元。
4个关键的大脑区域
将做梦时的大脑活动与从无意识状态中醒来前的大脑活动进行对比，可以发现做梦时大脑低频活动较少，高频活动较多。这种差异并不普遍，只发生在大脑后部被称为“后皮质区”的区域。它包含视觉区和其他区域(如楔前叶和扣带回后部)，可以整合不同形式的感觉体验。研究结果表明，在睡眠中产生意识并不需要激活整个大脑皮层。产生梦意识的后皮层热区，其实是一个相对狭窄的区域。
另一个令人惊讶的事情是，无论是在NREM睡眠还是快速眼动睡眠期间，做梦都与大脑后皮层的热区激活有关。这一现象首次向我们解释了为什么我们有可能在大脑活动的两个不同阶段做梦。换句话说，梦的形成并不需要全脑的参与，只需要激活后皮质热区的特定区域。当志愿者清楚地记得他们的梦时，即使他们记不起梦的内容，大脑后皮层热区的低频活动也比高频少。这似乎表明，后皮层热区慢波的变化决定了梦是否存在，但不能决定我们能否记住梦的内容。我们观察到，与被遗忘的梦不同，当大脑的多个区域被激活时，梦会被记住。
除此之外，我们还观察到，在REM睡眠期间，一些梦的内容与大脑特定区域的激活密切相关。同样，如果大脑在清醒阶段感知到同样的内容，这些区域也会被激活。例如，当志愿者梦见人脸时，梭状回的面部区域会被激活，当他们清醒时感知人脸也是如此。虽然这一切似乎都是理所当然的，但这是科学界迈出的重要一步:它表明梦反映了睡眠期间的各种经历，因此梦并不像许多学者认为的那样，只是醒来时的虚假记忆。
在最近的一项实验中，我们想知道是否有可能实时预测志愿者的梦。在监测志愿者在后皮质热区的活动时，只要NREM睡眠时高低频活动的比例超过一定值，我们就会叫醒他们。如果高频活动远远高于低频活动，我们会猜测志愿者在做梦。通过这种方法，我们可以达到87%的准确率来预测志愿者是否做梦。
5梦境再现
我们的研究成果解决了睡眠研究领域的许多谜团，但也引发了其他问题:有一天后皮层的热区是否会帮助我们预测一个人在睡眠状态或其他无意识状态(如昏迷或全身麻醉)下是否有意识？后皮质热区是如何被激活的？梦里出现的形象是如何确定的，有什么作用？我们有可能预测梦的大部分，甚至整个梦吗？
已经有科学实验来回答这些问题。日本奈良前沿科技大学的YukiyasuKamitani等人2013年发表在《科学》杂志上的一项研究表明，也许很快我们就能实时查看梦境的内容了。通过激活视觉区(包括后皮层的热区)，利用机器学习技术，神谷的研究团队成功地通过磁共振成像(MRI)破译了志愿者入睡后的梦境，并以视频的形式进行了重构。
其中一个视频展示了一系列与字母、数字和书法相关的图像，然后志愿者解释他们的梦:“我记得看到了一些文字。在梦里，出现了类似于信纸的东西，可以在上面写字。我看了信纸上的字。它是黑白的，周围除了这个文具什么都没有。在此之前，我看过一部电影，里面有一个人，但记不太清楚了。”这个例子说明，基于人工智能的发展，我们或许可以预见入睡后梦的大致内容。
随着数据分析技术的进步，或许在不久的将来，我们可以更容易地获得不同睡眠阶段甚至清醒状态下的相似视频资料。这样的进展不仅可以满足我们解释梦和思想的好奇心，还具有更重要的临床意义:例如，将经历过脑外伤而无法对刺激做出反应的患者的大脑中发生的事情可视化，可能有助于医生判断患者是有意识的还是无意识的，从而制定更好的治疗计划。这些数据也有助于我们理解大脑如何生成自己的现实世界:在清醒状态下，头脑中的现实(如梦境)与外部现实世界有何不同？当我们头脑中的现实与我们感知的外部世界发生冲突时(比如出现幻觉的精神病人)，会发生什么？也许与梦有关的科学研究可以提供一个新的起点，尽管目前的发现还不足以回答这类问题。
《光明日报》(2020年01月02日第14版)
