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睡眠是高等脊椎动物周期性出现的一种自发的和可逆的静息状态，表现为机体对外界刺激的反应性降低和意识暂时中断。正常人脑的活动和所有高等脊椎动物的脑一样，始终处在觉醒和睡眠交替出现的状态。觉醒时，机体对内、外环境刺激的敏感性增高，并能做出有目的和有效的反应。睡眠时则相反，机体对刺激的敏感性降低，肌张力下降，反射阈增高，但睡眠时大脑并非完全处于静息状态。那么，睡眠时脑功能究竟处于什么状态？睡眠和觉醒之间如何进行转换？睡眠的生理功能有哪些？本节将围绕上述问题进行阐述。
人在睡眠时与外界环境之间的联系减少甚至消失，因此，长期以来人们一直认为睡眠是一个消除疲劳所需的完全休息的过程。但从人类和其他动物的脑电活动中发现在睡眠阶段的大脑活动并非完全处于静止状态，而是呈现一种主动而非被动的抑制过程，同时脑功能状态并非一成不变而是表现出一系列主动调节的周期性变化，此时机体的各项功能，如感觉功能、运动功能和自主神经功能也随着睡眠深度的变化在不同程度上进行有规律的活动。正常的生理睡眠分为不同的时相。
20 世纪50 年代，美国芝加哥大学的克莱特曼（N.Kleitman）和阿瑟琳斯基（E.Aserinsky）在对婴儿睡眠的研究中发现，在安静相睡眠之后出现周期性快速眼球运动。后来，克莱特曼和德蒙特（W.Dement）在对成人睡眠的研究中，将睡眠过程中脑电活动、眼球运动与肌肉张力变化模式联系起来，明确了两种睡眠的存在，即非快速眼动（NREM）睡眠与快速眼动（REM）睡眠。NREM睡眠也叫同步睡眠、慢波睡眠、正相睡眠，REM睡眠也称快波睡眠、异相睡眠或去同步化睡眠。
在NREM睡眠阶段，人体全身肌肉松弛，没有眼球运动，内脏副交感神经活动占优势。心率、呼吸均减慢，血压降低，胃肠蠕动增加，基础代谢率低，脑部温度较觉醒时稍降低，大脑总血流量较觉醒时减少。根据NREM睡眠的脑电波特征（图1-2），一般将NREM睡眠分为4 期。
图1-2 睡眠脑电波分类
（1）NREM睡眠1 期：
又称入睡期。脑电图中，α波出现率减少，呈现低电压脑波，波幅减低，波形不整，不连续。它常出现在睡眠伊始和夜间短暂苏醒之后。α波减少至50%以下即可判定为NREM睡眠1 期。此时，人对周围环境的注意力已经丧失，处于意识不清醒状态。NREM睡眠1 期是清醒和睡眠的过渡时期，人处于一种很浅的睡眠状态，很容易被唤醒。
（2）NREM睡眠2 期：
又称轻睡期或浅睡期，以低-中波幅θ为活动背景，在两额区、中央区、顶区出现14Hz（12.5～15.5Hz）、波幅为100～300µV的纺锤波。随着睡眠深度增加，纺锤波频率减慢（12Hz），波幅较大的纺锤波脑电波持续约20min。人在这一期，全身肌力进一步减退，眼球停止运动，但仍容易被唤醒。
（3）NREM睡眠3 期：
即中度睡眠阶段，个体肌肉更加放松，肌张力进一步受到抑制，脑电波更慢，开始出现δ波，但δ波所占比例低于50%，持续时间约40min。此时，人体睡眠程度进一步加深，不容易被唤醒。
（4）NREM睡眠4 期：
即深度睡眠阶段，脑电波多为δ波，δ波占比超过50%。此时，身体各项指标都降低，会出现梦呓、梦游、尿床等现象，处于深度睡眠状态，难以被唤醒。人在这个时期，正常情况下，平均20min有一次大的姿势调节，有的人甚至每5min有一次姿势调节。
上述即为NREM睡眠过程，之后δ波消失，高频率低波幅的脑电波出现，身体反应类似清醒状态或恐惧时的反应，肌肉松软，呼吸急促，血压和心律不规则，眼球快速上下左右运动，通常伴有梦境，进入快速眼动睡眠，即REM睡眠，也是睡眠的第五阶段。
是一种“异相的”睡眠，因为它和清醒状态很相似。虽然身体处于麻痹状态，但是脑部在某些方面却很像处于清醒状态。REM睡眠期间的脑电图常会显示较快、去同步、低振幅的脑电波（神经振荡），与深度睡眠时的δ波不同，更类似于清醒状态的图样。在由NREM睡眠向REM睡眠过渡期间，会发生显著的生理变化。首先，会出现称作脑桥-膝状体-枕区皮层波（PGO波）。在REM睡眠期间，机体会偏离平衡态，呼吸、体温调节和循环系统都会有大幅波动，这样的情况在其他睡眠相或清醒时不会出现。身体会突然失去肌肉张力，这个现象被称为“REM肌肉麻痹”。同时，根据眼球的运动速度情况进行判定，REM睡眠可分为两种类型，即时相性REM睡眠（以快速眼球运动大量出现为特征）和紧张性REM睡眠（不出现快速眼球运动）。在时相性REM睡眠阶段，人体进入快速眼球转动状态，感觉功能进一步减退，肌肉更加松弛，肌腱反射消失，血压比慢速眼球转动时升高，呼吸稍快且不规则，体温、心率也有所升高。
人类NREM睡眠中，1～2 期被称为浅NREM睡眠；3～4 期为深度NREM睡眠，又称慢波睡眠（slow wave sleep，SWS）。很多教材或专著把NREM睡眠统称为慢波睡眠。2007 年和2014 年，美国睡眠医学学会（American Academy of Sleep Medicine，AASM）经过研究和论证，制定了新的睡眠判读指南。该指南沿用以往的睡眠分期基本划分规则，但将NREM睡眠的3 期与4 期合成为3 期睡眠。
概括来讲，快波睡眠是相对活跃的睡眠，此期间脑的活动增强，代谢率增加，自主神经系统自主功能增强，但由于肌紧张减弱或消失，运动功能丧失，而慢波睡眠通常呈现出相反的状态，是相对安静的睡眠。
在整夜睡眠中，NREM睡眠和REM睡眠交替出现。从觉醒状态首先进入NREM睡眠阶段，其中1 期持续时间为3～7min，然后进入NREM睡眠2 期，持续时间为10～25min，随后进入NREM睡眠3～4 期，此期持续时间数分钟到1h不等。深度NREM睡眠结束后，转入NREM睡眠1 期或2 期。然后转入第一次REM睡眠，持续时间为5～10min，完成一个睡眠周期。接着转入NREM睡眠1 期，开启第二个睡眠周期。从第一个REM睡眠出现至下一个REM睡眠出现的平均时间间隔约为90min。婴儿此时间间隔为40～50min，每昼夜睡眠周期为5～6 个；2～3 岁时，睡眠周期长度约60min；4～5 岁时，睡眠周期延长至60～90min。一般成人一晚有4～6 个上述周期，绝大部分深度NREM睡眠出现在上半夜，下半夜以浅NREM睡眠为主。年轻成人在健康状态下每天平均睡眠8h左右，深度NREM睡眠时长平均不超过“全夜睡眠总时长”的15%～20%。且在睡眠的后半程，深度NREM睡眠减少，REM睡眠时长逐渐延长。从NREM睡眠与REM睡眠的循环转换可以看出，睡眠过程并非一入睡就由浅入深并持续到天明，而是深一阵，浅一阵，深浅睡眠不断交替。正常成人整夜睡眠中，NREM睡眠占76%，REM睡眠占24%。NREM睡眠中，1 期占5%，2 期占49%，3 期占8%，4 期占14%。成人的NREM睡眠特点见图1-3。
图1-3 正常成人的睡眠结构图
值得关注的是，睡眠和觉醒之间可进行转换，如NREM睡眠和REM睡眠可直接转入觉醒状态，但正常成人不能由觉醒状态直接进入REM睡眠，必须先转入NREM睡眠状态，再进入REM睡眠期。
人类的睡眠与年龄密切相关。胎儿基本处于睡眠状态，从24～36 周出现明显的觉醒和睡眠状态，24～30 周出现快波睡眠，32～36 周出现慢波睡眠。新生儿平均每天睡16～18h。随着年龄增长，婴儿睡眠时长逐渐缩短，出生后16 周时减至14～16h，至6～8 月龄时减至13～14h，至2 岁时减至10～12h，短的睡眠逐渐合成为长的睡眠，觉醒行为逐渐集中到白天时间，而睡眠时间则逐渐集中到夜晚（图1-4）。
婴儿有两种睡眠形式。① 活动相睡眠：具有眼动、体动、呼吸不规则和自发性吸吮动作等特征，等同于成人的快波睡眠；② 安静相睡眠：无眼动、体动和呼吸规则等特征，等同于成人的慢波睡眠。总睡眠时长随年龄增长逐渐减少，在生命早期的变化尤其明显，与出生后第一年发生的巨大变化相比，2～5周岁睡眠的变化比较缓慢，夜间睡眠在11～13h。儿童期（小学期间）大约需要11h睡眠，青少年需要8～10h睡眠。成人的睡眠时间相对稳定，老年人的睡眠时长再度减少。成人的睡眠时长因人而异，通常为6～9h，一般认为7.5h是合适的。根据脑电图的分析，REM睡眠在生命早期的时间和比例均高，新生儿的REM睡眠约占睡眠总时间的50%，并且入睡后很快就进入REM睡眠时期，其后迅速下降。出生后6 个月时，REM睡眠时长百分比下降至30%；在2～5周岁时，REM睡眠时长占整个睡眠时长的比例为20%～25%（图1-4）；在5～10 周岁这一阶段，睡眠模式继续向成人型接近。成人REM睡眠时长一夜平均为100min，约占总睡眠时长的20%，而老人则不到20%。在成人中，凡REM睡眠时长占比＜15%或＞25%的被认为不正常。NREM睡眠的时长随年龄增长减少得不明显，但NREM睡眠第4 期随年龄增长发生显著减少，尤其在老年。α波活动随年龄增长逐渐增加，δ波活动随年龄增长而逐渐减少。3～5 岁儿童的α波＜10min/h，老年人则＞20min/h；3～5 岁儿童的δ波＞40～50min/h，而老年人仅为10min/h。在哺乳动物中，随着脑发育进程的不同，睡眠的成熟过程也不相同。例如，初生小猫出生第1 天几乎都是REM睡眠，从第2 天起出现慢波睡眠，1 个月后接近成年猫的睡眠类型；大鼠在出生后2 周内，几乎全部是REM睡眠，1 个月后，REM睡眠缩短到10%；初生豚鼠REM睡眠时长占比约为10%，随后很快发展到低于5%。
图1-4 人类睡眠的发育模式
睡眠是动物界共有的生理现象。动物由低级向高级进化的不同时段，睡眠的演化过程与脑的进化程度紧密相连。按照上述睡眠的3 大特征：周期性、自发性和可逆性。以动物的安静不动和感觉敏感性降低为衡量指标，则从高等脊椎动物才开始出现睡眠行为和脑电变化。在龟、蛇、蜥蜴类等爬行动物身上仅能发现最初的脑电活动迹象。在鱼、两栖和爬行动物，可以观察到觉醒和睡眠的周期转换，但无REM睡眠。温血动物鸟类才有明显的REM睡眠，占睡眠时长的3%～5%，但缺乏NREM睡眠的分期和纺锤波。哺乳类动物从鼠到象，都有明确的NREM睡眠和REM睡眠，但各自所占比重随种别而异。鸟类和哺乳动物REM睡眠的出现表明脑干的结构和功能进一步复杂化。哺乳动物睡眠还需附加其他标准，如回到觉醒状态的快速可逆性，使睡眠同昏迷和低体温状态（如冬眠）区别开来。另外，脑电波的特征性变化能够准确区分睡眠的相关行为和大脑活动。例如，纺锤波和慢波是哺乳动物NREM睡眠的生物标志物。
哺乳动物睡眠时长在种系间差别极大，澳大利亚树熊考拉每天睡眠时长达22h，而兔子每天只睡几分钟，印度河豚的睡眠时长可以以秒计算。哺乳动物每天睡眠时长与体重和单位体重代谢率密切相关，能量储备低的动物需要更多睡眠（此结论也有很多值得商榷的地方）。哺乳动物睡眠时长还应考虑动物的安全生存环境及生活习性。从动物生存竞争角度来分析，大体可归为两类：一类是被猎食动物，如啮齿类、食草及反刍动物摄食后需要长时间咀嚼，因而睡眠时长缩短，REM睡眠也短，一般不超出5%，如母牛为1.6%，食蚁兽没有REM睡眠；另一类是猎食动物，如食肉类动物，它们的进食快，有较多时间的睡眠，REM睡眠也较长，可达20%或更长，如猫、狗等都如此。有研究表明，相较于NREM睡眠，REM睡眠出现较晚，表明动物的睡眠演变也与物种的进化有关，也体现了物种对生存环境的适应。
睡眠是动物界的共有特征，只要是动物都有睡眠现象，但动物为什么要睡眠？虽然有很多相关研究，但至今为止仍是一个未解之谜。大多数观点认为，机体通过睡眠可以保存能量、消除疲劳、恢复体力、促进代谢产物的排出、增强免疫功能、促进生长发育和增强学习记忆。
在睡眠过程中，基础代谢率可以维持在最低水平，耗能最少，此时副交感神经活动占优势，合成代谢活动加强，有利于储存能量。已有研究证实，腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）的增加有赖于睡眠，而ATP是能量在体内的最基本形式，可以直接被人体利用。另外，脑糖原是大脑主要的能量储存形式，脑糖原的水平随着觉醒时间的延长而逐渐下降。
疲劳尤其是过劳对健康的危害极大。疲劳通常与各种劳动如体力、脑力劳动的强度、速度及持续时间有关，速度越快、强度越大、持续时间越长，越容易出现疲劳。疲劳是机体生理功能接近最高限度的信号，必须进行适度休息才能恢复正常的脑力和体力，而最好的休息方式就是睡眠。睡眠时，机体的各项生理功能普遍降低，具体有如下表现：① 几乎所有骨骼肌都舒展，肌肉紧张度普遍降低甚至消失，身体不能维持自主姿势；运动神经反射也随肌肉紧张度降低进一步减弱。② 心跳每分钟减少10～30 次，血压降低10～20mmHg，随着睡眠的加深，血压可进一步降低。③ 呼吸频率降低，吸气时间明显延长；在浅睡时，呼吸运动呈现节律性，而深度睡眠时，常表现为无规律或呈现周期性变化；肺通气量可比觉醒时减少25%。④ 涎液分泌明显减少，胃液分泌轻度增加或无变化，胃排空及消化时间与觉醒时无明显变化。⑤ 深度睡眠时，基础代谢率可降低10%～20%；体温略有降低，通常最低值出现在凌晨2～4 点；脑组织葡萄糖需要量减少，体内糖原含量增加，表明睡眠时人体合成代谢占优势。
人体处在睡眠状态下，合成代谢大于分解代谢，有利于营养供给、弥补损耗、储存能量、消除疲劳。人的大脑皮质细胞具有高度的反应性和复杂的功能活性。大脑重量仅占体重的2%，却消耗25%的基础代谢能量。如果缺乏充足的脑糖原，大脑皮质的神经细胞的功能就会受到抑制，甚至遭受严重损伤。因此，睡眠对于神经系统来说，是一种不可缺少的保护性措施，可以防止疲劳转变成过劳。
2013 年美国罗切斯特大学医学中心的一项研究发现，白天大脑脑力代谢产物不断积聚，睡眠时大脑可以高效地清除代谢产物，从而恢复活力。该项研究表明，堆积在脑组织间隙的大脑代谢产物会在睡眠过程中被清除掉，这可能是睡眠的一个重要作用。神经科学家以往并不关注神经系统的组织间隙，尽管在活的麻醉大脑（大部分生理学研究时的状态）中这些组织间隙能占据将近20%的总体积。由于大脑中淋巴系统不够发达，组织间隙便担当了大脑“清道夫”的角色。大脑的代谢产物由流经组织间隙的脑脊液冲刷带走：由血液过滤而来的脑脊液从脑室的脉络丛泵入大脑，并渗入大脑组织间隙中，最终被泵回大脑外周的脑脊膜血管内。美国罗切斯特大学医学中心博士后谢璐璐等人估算出觉醒的小鼠大脑中组织间隙仅占大脑总体积的14%，而在自然睡眠或麻醉状态下分别增加至60%和23%，增加的脑脊液能显著提高大脑清除代谢产物的能力。同时，研究者发现小鼠在觉醒状态下，脑脊液循环只会局限于大脑表面，但是在自然睡眠或麻醉情况下，却能深入脑组织中，使得觉醒时脑脊液流入组织间隙的量仅为睡眠时的5%。β-淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）是大脑代谢的产物，其堆积与阿尔茨海默病的发生、发展密切相关。通过把放射性示踪的β淀粉样蛋白或其他惰性示踪剂注射进大脑皮质发现，在睡眠状态下它们从小鼠大脑中清除的速度都是觉醒时的2 倍。
睡眠与免疫系统状态和防御系统强度密切相关。睡眠剥夺可能通过影响自然杀伤细胞、淋巴细胞、细胞因子及免疫球蛋白和补体的产生而影响机体免疫功能，导致免疫功能相关疾病的发生发展。研究发现，睡眠剥夺时机体炎症反应标志物（如C反应蛋白、白细胞介素-6）水平升高。而睡眠剥夺研究发现成熟中性粒细胞水平降低，导致机体免疫功能下降，对细菌病毒等易感性增加。如果长时间剥夺睡眠，2～3 周后大鼠就会死亡。在这些死亡的大鼠血液中，可检测到更多的致病菌。动物实验还发现，睡眠剥夺的小鼠解除睡眠剥夺后免疫功能下降，表现出大脑神经酰胺化、神经细胞发生凋亡和小胶质细胞活化的迹象。Dumaine和Ashley等研究发现，24h睡眠碎片化严重可导致外周炎症和应激激素水平增加，并诱导大脑中的抗炎症细胞因子增加。睡眠状态往往影响机体的免疫情况，及时干预睡眠剥夺可减少甚至避免免疫障碍疾病（如感染）的发生。在临床中也常观察到人在发生感染，如患肺炎时往往有思睡的现象。而充足的睡眠有利于提高免疫力，帮助人体恢复。
医学上已经证实，睡眠是影响人体生长激素分泌的一个非常重要因素，良好的睡眠是保证骨骼、神经系统生长发育的关键。早期的睡眠剥夺可以造成大脑功能的永久性损伤或发育迟滞。REM睡眠是脑生长发育所必需的。人与动物的比较研究发现，不同动物出生时脑发育程度与所需要的REM睡眠时长之间呈反比关系。例如，人、猫和大鼠在出生时脑发育得很不成熟，尚不能自我保护，REM睡眠时长相对于总睡眠时长的比例很高（50%）；相反，绵羊和豚鼠出生时脑已基本发育完善，出生后便能走动，感觉系统很快便能执行功能，它们的REM睡眠时长所占比例相对较低（10%以下）。在儿童肥胖影响因素方面，除传统的膳食和运动因素外，睡眠与儿童肥胖的关系越来越受关注。沈晓明研究组研究发现，学龄期和青春期儿童中，睡眠与肥胖的相关性呈U形趋势。以学龄儿童为例，与平均每天睡眠时长9～9.9h相比，随着睡眠时长的缩短或延长，肥胖发生的风险均逐渐升高。该研究还进一步发现，睡眠不足与腹部脂肪的堆积相关，而现有研究证实以腹部脂肪增多为特点的肥胖患者容易出现各种并发症。其他研究也表明，晚睡会增加患肥胖症的风险，4～5 岁儿童晚睡（晚9 点后）与青少年期肥胖有较高相关性。青少年晚睡（晚10 点后）、晚起均与体重增加相关。
学习是人或动物通过神经系统接收外界环境信息的行为，记忆是获取的信息或经验在大脑内储存和提取或再现的过程。根据大脑特定区域受损的遗忘症患者所表现出的选择性记忆缺失，可将记忆分为陈述性记忆和程序性记忆。陈述性记忆是指对有关事实、事件以及它们之间相互联系的记忆，可以通过语言传授而一次性获得，其提取往往需要意识参与，如在学习各种课本知识和日常生活常识都属于这类记忆。程序性记忆是指如何回忆如何做事情的记忆，包括对知觉技能、认知技能和运动技能的记忆。这类记忆往往需要多次尝试才能逐渐获得，在利用这类记忆时往往不需要意识的参与。人的记忆过程非常复杂，包括获取、巩固、存储和提取4 个基本环节。每个过程都与大脑的活动密切关联，其中记忆的编码和再现大多发生在觉醒时期，而记忆的巩固则主要受睡眠的影响。研究表明，如果努力学习一段时间后立即进入睡眠状态，对所学的内容的记忆有加强作用，表明睡眠有助于记忆力的巩固。Ullrich Wagner等首次证明，相比于学习后觉醒组的受试者，学习后睡眠组对于面孔的认知记忆显著增强。Steffen Gais等排除急性疲劳和昼夜节律的影响，发现睡眠有助于青年陈述性记忆系统的记忆巩固，睡眠的这种增强作用在学习后经过48h也相对稳定。在大鼠、果蝇、类人猿、欧洲椋鸟都观察到睡眠有助于空间记忆、听觉或情绪相关记忆以及运动技能记忆。Lisa Genzel等发现，睡眠对记忆的巩固呈现性别差异：男性在学习训练后小睡，陈述性记忆和程序性记忆水平都显著提高，而女性中只有在黄体期才能观察到相似的现象，推测可能和雌激素水平以及学习后梭形波活动增加有关，也可能和女性月经周期相关。
许多研究提示，睡眠期间的大脑可塑性不是一个单一的过程，不同类型的学习具有特定睡眠相关记忆巩固机制，在不同时间作用于大脑的不同区域。陈述性记忆由于其完整的特性，与慢波睡眠相关系统巩固（system consolidation）密切相关；程序性记忆由于其特异性和分散性，和REM睡眠相关的局部大脑环路的突触巩固（synaptic homeostasis）密切相关；而慢波睡眠和REM睡眠顺序发生可能会更有效地促进陈述性记忆和程序性记忆的巩固。有研究表明，REM睡眠可能与新信息的编码有关。对家鸡出生后进行印记实验，刺激形象为母鸡，20min的视觉刺激可使小鸡在其后45min时间内REM睡眠显著增加。比较在丰富环境与贫乏环境中饲养的幼年大鼠，前者的REM睡眠显著高于后者。由此人们推测，婴幼儿和儿童需要学习很多新的内容，因此他们需要更多的REM睡眠；而老年人学习的新内容减少，REM睡眠也相应减少。还有研究表明，REM睡眠有助于短时记忆向长时记忆的转化，即记忆的巩固过程。人和动物的实验均证明，REM睡眠剥夺与电休克一样可以干扰短时记忆的巩固，记忆后良好的睡眠有利于记忆的保持。实验还发现，人在紧张学习过程中REM睡眠的潜伏期明显变短，REM睡眠的比例显著增加。动物在学习后REM睡眠也明显增加，而NREM睡眠无改变。可见，睡眠与记忆的关系可能是彼此相互作用。
睡眠是人体重要的生理活动，根据睡眠时眼球转动情况将睡眠分为NREM睡眠和REM睡眠。根据睡眠时脑电波的变化又将NREM睡眠分为1～4 期。睡眠的分类和分期为研究睡眠的功能和机制奠定了重要基础。睡眠具有诸多重要生理功能，如降低能耗、储存能量、促进体内代谢产物的排出、增强人的免疫功能、促进生长发育、增强学习记忆以及维持身心健康等。不同种系动物的睡眠时长差别极大。研究发现，睡眠不仅是动物的一种本能性行为，也是动物为适应生存环境、趋利避害、长期进化的一种适应性行为。关于睡眠的调控机制以及功能，还存在诸多争议和未解之谜，需要更多科学家开展相关科学研究去解开这些谜团。
（邹祖全 赵鑫 陈奕）