【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？以现有的技术，我们真的能记录下这些转瞬即逝的梦吗？
在为期五年的实验中，科学家们探索了睡眠时的大脑活动，从而确定了负责产生梦境的大脑区域。
1快速动眼期和其他睡眠
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、眼球附近和肌肉上放置电极(即通过脑电图、眼电图和肌电图)记录大脑活动，首次观察到一个特殊的睡眠阶段。在这个阶段，大脑中的神经元非常活跃，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，在大脑高度活跃的同时，眼球也表现出持续的快速运动。根据这一特点，他们决定用“快速运动”(rapideyemovement)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。他们在实验中将处于快速眼动睡眠阶段的志愿者叫醒，并询问他们在醒来之前是否有梦。结果显示，74%的志愿者记得他们做过一个梦。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，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”。
这一非凡的发现导致许多科学家重复这一实验。他们意识到，与其问志愿者是否做了梦，不如问他们“醒来之前，他们脑子里发生了什么”。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做梦呢？
相关的解释有很多——有研究人员得出结论，大脑活动和做梦没有关联；有些人坚持认为梦不是在睡眠中发生的，而是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。
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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，在探索梦的本质时，我们会遇到各种各样的障碍，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，研究人员需要在夜间叫醒志愿者，以收集与梦相关的证据，但这对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，近年来的一些技术进步提高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明显的进步，科学家可以在一个脑电图帽上组装多达256个电极。这项技术除了可以实现优秀的时间分辨率(毫秒级)，还可以使用“sourcemodeling”，即利用数学算法计算大脑活动的来源，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是活跃的。此外，EEG cap的舒适性很高，你可以带着它在床上不受打扰地睡觉。
近年来，各种研究表明，大脑不同区域的睡眠状态在同一时间并不一致，这引起了科学家们的极大兴趣。虽然我们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”现象却是最近才发现的。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，而其他区域则观察不到。换句话说，在某些时刻，大脑的某些区域可以被认为是“清醒的”，而其他区域则是“沉睡的”。梦游是“半睡半醒”状态的一个极端例子。它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。
人自身的生理条件也可以把睡眠和清醒混为一谈。例如，当一夜的睡眠即将结束时，大脑的某些区域已经醒来，而其他区域仍然显示出睡眠特有的慢波。这种差异或多或少反映了梦的存在和特征吗？
三个五年实验
为了回答这个问题，威斯康辛大学麦迪逊分校的威斯康辛睡眠和意识研究中心的主任GiulioTonon加入了我们的一项大型研究。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，我们要求志愿者回家睡觉，并要求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；但是两个星期后，这些志愿者因为半夜重复任务，已经足够专业了。结果，他们成功进入了任务的第二阶段——在实验室里过夜。
实验是这样的:晚上，志愿者戴上特殊的脑电图帽进行高密度脑电图，然后在一个没有窗户的隔音房间里睡觉。这样志愿者的睡眠就不会被打扰，实验也总是在同样的条件下进行。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后做的梦。
在为期五年的实验中，我们重复了近千次觉醒过程，记录了数百条与梦相关的信息。志愿者描述的梦境五花八门，令人惊叹——与朋友的交谈，一个抽象的想法，一个清晰的佛腹图像，一个人面容的模糊记忆，一个电影般的长篇故事的最后一幕…但是有的时候，志愿者反映自己什么梦都没有，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，在REM睡眠阶段也会发生。
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。梦可以看作是一种特殊的意识形式，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，但我们在梦中的经历和白天清醒时的经历有许多相似之处——我们也在梦中看到图像、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
对比做梦时和从无意识状态醒来前的大脑活动，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，只存在于大脑的后部区域，即所谓的“后皮质区”。它包含视觉区和其他区域(如前楔叶和后扣带回)，可以整合不同形式的感官体验。实验结果表明，睡眠时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。
另一个令人惊讶的发现是，无论是在NREM睡眠还是快速眼动睡眠中，梦都与大脑后皮层的活跃区域有关。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即可。当志愿者清楚地记得自己做了一个梦时，即使记不清梦的内容，大脑后皮层热区的低频活动也少于高频活动。这似乎表明，后皮层热区慢波的变化决定了梦的存在与否，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，只有当大脑的多个区域被激活时，梦才会被记住。
此外，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，梭状回的面部区域被激活，当他们在清醒状态下感知人脸时也是如此。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中的各种经历，因此梦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。在监测志愿者的后皮质热区活动时，只要NREM睡眠阶段高低频活动的比例超过一定值，我们就会唤醒他们。如果高频活动远远超过低频活动，我们会猜测志愿者在做梦。通过这种方法，我们可以预测志愿者是否在做梦，准确率达到87%。
5梦境再现
我们的研究解决了睡眠研究领域的许多谜团，但也提出了其他问题:有一天，后皮层的热区域是否会帮助我们预测一个人在睡眠中是否有意识或处于其他无意识状态(如昏迷或全身麻醉)？后皮层热区是如何被激活的？梦里的意象是如何确定的，有什么作用？我们有可能预测梦的大部分，甚至整个梦吗？
已经有科学实验试图回答这些问题。日本奈良高等科技大学的YukiyasuKamitani于2013年发表在《科学》杂志上的一项研究表明，我们可能很快就能实时查看梦的内容。通过激活视觉区域(包括后皮层的热区域)，并利用机器学习技术，神谷的研究团队成功地利用磁共振成像(MRI)破译了志愿者入睡后的梦境，并通过视频进行了重建。
一个视频显示了一系列与字母、数字和书法相关的图像，然后志愿者解释他们的梦:“我记得看到了一些单词。在梦里，出现了类似于信纸的东西，你可以在上面写字。我读了信纸上的字。它是黑白的，除了这张信纸，周围什么也没有。在此之前，我看过一部电影，里面有一个人，但我记不清楚了。”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发展，在不久的将来，我们可能更容易获得不同睡眠阶段甚至清醒状态下的相似视频资料。这一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，可视化经历过脑外伤且对刺激无反应的患者大脑中发生的事情，可能有助于医生确定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是如何生成自己的现实世界的:清醒状态下头脑中的现实(比如梦境)和外部现实世界有什么区别？当你头脑中的现实与我们感知的外部世界发生冲突时(比如精神病人产生幻觉)，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，尽管现在的发现还不足以回答这样的问题。
《光明日报》(2020年01月02日第14版)
