人类大脑为什么会做梦？

本文来自微信公众号：神经现实（ID：neureality），原标题《梦境的存在竟是为了给视觉皮层看家？》，作者：David Eagleman & Don Vaughn，翻译：牙牙，审校：Sixin，编辑：山鸡，头图来源：视觉中国

一、大脑的重塑

两岁时，本（Ben）左眼开始看不见东西，被母亲带去医院。医生查出他的双眼均发生了视网膜癌变。在放疗和化疗失败后，外科医生摘除了他的双眼。从此，本永远地失去了视觉。

不过，在七岁的时候，本发明了一个解码周围世界的技巧：用嘴巴发出类似锁门时的“咔哒”声，并倾听回声。通过这个方法，本可以定位出门廊、人们、停靠的车和垃圾桶等物体的位置。他的这种行为被称作回声定位（echolocating）：向环境中的物体发射声波，并捕捉反射的回声，来建立一个周边环境的心理模型。

虽然回声定位听起来像是一门人类不可能掌握的技能，但目前已有数千名盲人和本一样熟练掌握了这一技巧。这一现象早在20世纪40年代便有记录——发表于《科学》的一篇名为《盲人、蝙蝠和雷达的回声定位》（Echolocation by Blind Men, Bats, and Radar）的文章，首次提出“回声定位”这个词。

失明是如何让一个人产生用双耳理解周边环境的惊人能力的？答案就藏在演化赋予人类大脑的一项天赋中——极强的适应性（adaptability）。

- Pablo Ruiz T. -

每当我们学习新知识，掌握新技能，或培养新习惯时，我们大脑的生理结构会随之改变。神经元是大脑中负责快速处理信息的细胞，数以千计地相互连接，但就像每个小团体中人们的友谊一样，它们之间的连接也在不断变化：会增强，会减弱，也会找到新的伙伴。在神经科学中，我们把这种现象称作“大脑可塑性”（ brain plasticity），指的是大脑可以像塑料一样呈现出新的形状并保持下去的能力。不过，最新的研究发现，大脑的灵活性远比它维持某个形状的能力更为细微复杂。为描述这一特征，我们用“活线”（livewiring）来形容脑可塑性，以突出体现大脑这个由860亿神经元和200万亿个连接组成的庞大系统，是如何无时无刻不在重塑（rewire）的。

神经科学家们曾一度认为，大脑的不同区域生来就是用于执行特定的功能的，但这个旧范式现已被新的发现推翻。大脑的某个区域最初可能被分配来处理某个特定的任务。比如，我们的大脑后部就因为经常处理视觉，所以被称作“视觉皮层”（visual cortex），但这个区域也可以被重新指派给别的任务。视觉皮层的神经元并没有什么特别的，在视觉正常的人身上，它们只是恰好被用来处理形状或色彩，但在失明者身上，同样的神经元可以重塑，以处理其他形式的信息。

大自然赋予人类大脑充分的灵活性，以适应环境。大脑这种可以重新配置（reconfigure）的能力，就像锋利的牙齿和飞跑的双腿一样，是很有利于生存的。大脑的活线使我们有可能学习、记忆和开发新的技能。

- Vova Brown -

在本的例子中，由于大脑的灵活重塑，视觉皮层转而用来处理声音。于是，本有了更多的神经元可以用来处理听觉信息，而这一增强的处理能力，也让本得以解读声波中的惊人细节。本的超级听力显示出一个更具一般性的规律：某项特定感官所占据的脑区越多，则该感官的表现也越佳。

近几十年来出现了一些关于活线的重要发现，但最令人惊喜的也许要数其快速性（rapidity）。大脑回路的重组不只发生在刚刚失明的人身上，也发生在短暂性失明的视力正常者身上。在一项研究中，视力正常的参与者在短期内突击学习如何阅读布莱叶盲文（Braille），在这个过程中，有半数参与者被蒙上了双眼。经过五天的学习，蒙住眼睛的参与者比没有蒙住眼睛的参与者更能分辨出盲文符号之间的细微差别。更引人注意的是，蒙住眼睛的参与者大脑的视觉区域，能对触摸和声音产生反应，被它们所激活。当视觉皮层的活动暂时被打断，蒙住眼睛的参与者的盲文阅读优势也不复存在。换句话说，蒙住眼睛的参与者在涉及到触摸的任务中表现得更好，是因为他们的视觉皮层被征募过来提供帮助。眼罩取下后，视觉皮层在一天之内就恢复了正常，不再对触摸和声音产生反应。

但这样的变化并不一定要花五天，那只是刚好是去测量的时间。当我们对蒙住眼睛的参与者进行持续的测量，大约一个小时内，就在视觉皮层中观察到了涉及到触摸的活动。

- Tang Yau Hoong -

二、做梦——视觉区保卫战

大脑的灵活性和皮层的快速接管又和做梦有什么关系呢？这其中的关联也许比我们以前认为的更多。显然，通过把视觉皮层重新分配给其他感官，本受益匪浅，因为他永久地失去了双眼，但对实验中的蒙眼参与者来说呢？如果我们的某项感官缺失只是暂时的，那么，其它感官对脑区的快速占领也许就没那么有益。

而我们认为，这就是我们做梦的原因。

在无止休的脑区争夺中，视觉系统面对着一个独特的问题：由于地球自转，每隔24小时，所有动物平均都会有12个小时被笼罩在黑暗中（当然，这是指演化过程中的大部分时间，不包括我们当下的电气化世界）。我们的祖先们在一生当中的每个夜晚，实际上都成了不知情的蒙眼实验参与者。

那么，祖先们大脑的视觉皮层，如何在双眼缺乏信息输入的情况下，守卫住自己的领土呢？

我们认为，大脑守住视觉皮层脑区的方式，是让它在夜间保持活跃。根据我们的“防御性活跃理论”（defensive activation theory），有梦睡眠（dream sleep）的存在是为了使视觉皮层的神经元保持活跃，从而抗击邻近感官的占领。从这个角度来看，梦境以视觉为主，正是因为视觉是唯一被黑暗置于不利地位的感官。因此，只有视觉皮层在某种程度上是脆弱的，有必要通过内部生成的活动来守住它的脑区。

- Dan Gartman -

三、证据

1. 随着年龄增长，人的大脑灵活度逐渐减少，而快速眼动睡眠比例也随之减少

在人类的睡眠中，每隔90分钟就会出现一段快速眼动（REM）睡眠，大多数梦境就发生在这个时候（虽然在非REM睡眠中也会出现某些形式的梦境，但这些梦境是抽象的，缺乏REM梦境的视觉生动性）。

快速眼动睡眠由一组能直接激活大脑视觉皮层的特定神经元触发，让我们即使闭上眼睛也能体验到视觉。可以推测，视觉皮层的这种活动，就是梦境如绘画般和电影般的原因（在快速眼动睡眠状态下，激发梦境的回路也会麻痹你的肌肉，这样大脑在模拟视觉体验的同时就不会移动身体）。这些回路在解剖学上的精确性，意味着有梦睡眠具有生物学上的重要性——如果没有重要的功能，像这样精确而普遍的回路是很难演化出来的。

关于梦境，防御性活跃理论做出了一些明确的预测。例如，大脑的灵活度会随着年龄增长而减弱，那么，在人的一生中，快速眼动睡眠在整个睡眠周期所占的比例也应该逐年减少。而事实也正是如此：人类婴儿的快速眼动睡眠约占睡眠时间的50%，但在老年人身上这个比例下降到了约18%。随着大脑的灵活度降低，快速眼动睡眠似乎也变得不再那么必要。

- Veronika Stehr -

2. 大脑灵活度越高的物种，每晚用于快速眼动睡眠的时间也越长

当然，这两者之间的联系并不足以证明防御性活跃理论。为进一步验证该理论，我们将调查范围扩大到人类以外的动物。防御性活跃理论做出了一个明确的预测：某种动物的大脑灵活度越高，为保护睡眠状态下的视觉系统，其所需的快速眼动睡眠也就应该越多。因此，我们研究了25种灵长类动物的大脑在出生时的“预编程”（pre-programmed）程度和与之相对的灵活度。预编程程度该如何测量呢？我们研究了这几种动物发展所需的时间：多长时间断奶、多长时间学会走路，以及进入青春期需要多少年。某种动物的发展速度越快，大脑的预编程程度越高，也就是说，灵活度越差。

研究发现，大脑灵活度越高的物种，每晚用于快速眼动睡眠的时间也越长，这与预测结果相一致。大脑灵活度和快速眼动睡眠，这两个最初看似不相关的指标，事实上是有所关联的。

顺带一提，在我们研究的灵长类动物中，有两种是夜行动物。但这并不改变假说：动物无论是在晚上还是在白天睡觉，视觉皮层都有被其他感官接管的风险。夜行性灵长类动物配备了强大的夜视能力，在夜间运用视觉寻找食物和躲避捕食。但之后当它们在白天睡觉时，双眼紧闭，无法再有视觉输入，因此，它们的视觉皮层也需要防御。

- Dominik Mayer -

3. 先天失明（或幼年失明）的人不会在梦中体验到视觉图像

梦境回路有着根本意义上的重要性，以至于先天失明的人也会做梦。但先天失明（或幼年失明）的人不会在梦中体验到视觉图像，而是有其他的感官体验，例如摸索着走过一间重新布置过的客厅，或是听见奇怪的狗叫声。这是因为其他感官已经占据了他们的视觉皮层。也就是说，盲人和视力正常的人在做梦时活跃的脑区是一样的，只是两者在该脑区中所处理的感官有所不同。值得注意的是，比起幼年失明的人，7岁以后失明的人做梦时有更多的视觉内容。这也与防御性活跃理论相一致：大脑的灵活度随年龄增长而降低，因此，如果失明时年龄较大，非视觉感官就不能完全征服视觉皮层。

4. 被剥夺视觉输入就会出现视觉幻觉

如果梦境是因为缺乏视觉输入而引发的视觉幻觉，那么可以预料到，类似的视觉幻觉，在那些清醒时被慢慢剥夺了视觉输入的人身上，也可能发现。而对于眼球退化的人、被固定在铁肺（tank-respirator）*里的病人和被单独关禁闭的囚犯来说，事实也正是如此。在所有这些情况下，人们都会看见并不存在的东西。

*译者注

tank-respirator：又称iron lung，即铁肺，是一种协助丧失自行呼吸能力的病人进行呼吸的医疗设备。使用者大多数是患上脊髓灰质炎和重肌无力症等病患而引起呼吸肌肉麻痹的病人。铁肺是一个连接着泵的严密封闭金属筒，病人躺在筒内，只剩下头部露于外面。当铁肺的泵吸入及抽出空气时，由于筒内气压的改变，使病人的胸廓产生相应膨胀或压缩，令病人能够进行被动性呼吸运动。

我们发展了防御性活跃理论，以解释长时间处于黑暗中所出现的视觉幻觉，但该理论可能代表着一个更普遍的原则：大脑已演化出特定的回路，会在输入被剥夺的时间段产生活动以作为补偿。这在几种情况下可能发生：（1）剥夺有规律且可预测（如睡觉时做梦）；（2）感官输入通路受损（如耳鸣或幻肢综合征）；（3）剥夺不可预测（如由感官剥夺引起的幻觉）。从这个角度来看，在剥夺时期出现幻觉实际上可能是系统的一个特征，而不是故障。

- lipika S -

四、当前研究与结论

我们现在正努力完成对整个动物王国的各个物种进行系统性对比。目前来说，证据是振奋人心的。有些哺乳动物出生时还未成熟，无法调节自己的体温，也不能获取食物或是自我保护（比如小猫、小狗和雪貂）；而有些哺乳动物一出生就已成熟，在子宫里就长出了牙齿和毛发，可以睁眼，并有能力调节体温，出生后不到一小时就会走路，能吃固体食物（比如豚鼠、绵羊和长颈鹿）。出生时未成熟的动物的快速眼动睡眠比出生时成熟的动物多达8倍。这是为什么？因为当幼仔的大脑高度灵活时，该系统需要更多的活动来保护睡眠中的视觉系统。

从人类有语言以来，梦便一直令哲学家、牧师和诗人困惑不解。梦有什么意义？梦境是否预示着未来？近几十年来，作为神经科学领域的核心未解之谜之一，梦一直备受神经科学家们的关注。梦是否具有更实际的、功能性的目的？

我们认为，有梦睡眠的存在，至少在一定程度上，是为了防止在视觉不被使用时，其他感官将大脑视觉皮层占领。梦是对大脑灵活度过高的平衡。因此，尽管长期以来，梦一直都是歌谣和故事的主题，但也许，梦也可以被更好地理解为，是大脑可塑性和地球自转的奇异的爱之结晶。

本文来自微信公众号：神经现实（ID：neureality），作者：David Eagleman & Don Vaughn，翻译：牙牙，审校：Sixin，编辑：山鸡