每天晚上，我们睡下以后，看不到，听不着，不说话，身体和瘫痪了没什么分别，可是我们的大脑并没闲着。沉睡中，大脑神经细胞的活跃度几乎与清醒时无异，能量更是没少消耗。如果说睡觉是为了休息，大脑为什么还这么忙呢？既然睡觉时意识已经完全不受外界干扰，神经细胞又在忙些什么呢
其实，身体睡眠时，大脑在干的事情很重要。这种重要性首先体现在睡眠现象的普遍性上。睡觉时，机体无意识、无反应，这其实是件很危险的事，一不小心就会送命。但即使这样，所有动物都要睡觉，十几年前，研究者就已经证实，鸟要睡觉、蜜蜂要睡觉、鬣蜥和蟑螂都要睡觉，连果蝇都不例外。
更有甚者，为了适应睡眠，自然界还进化出了一些神奇的功能。例如，海豚和其他一些海洋哺乳动物会让两个大脑半球交替休息，在一个半球清醒时，另一个半球去睡觉，因为它们必须经常浮出水面换气。
经典睡眠理论：强化记忆
一个世纪以前，就已经有科学家提出，睡眠对于记忆功能很重要。此后无数的实验证实，睡一觉甚至只是打个盹之后，新形成的记忆都会比一直醒着更加牢靠。而且，这不仅仅对陈述性的记忆（比如背单词，或是记忆图片和位置的联系等）适用，对感觉和运动技巧等非陈述性的记忆（比如演奏乐器等）也适用。
基于这些发现，科学家开始寻找证据，试图证明大脑会在睡眠期间重新处理新习得的东西。他们确实也找了到一些证据：过去20多年，研究人员先是在啮齿类，继而在人身上都发现，睡眠期间大脑的活动方式有时确实和清醒时类似。
因此，很多研究者据此推测，清醒状态下，某些神经细胞间的突触（synapse，神经元之间的接触点）联系会被日常经验加强，睡眠期间的回放过程可以使这些联系进一步强化，从而得以巩固，形成记忆。也就是说，相互联系的神经细胞放电越多，突触之间传递信息就越容易，这能帮助神经回路编码大脑中的记忆。这种选择性的增强过程一般被称为突触增强（synapticpotentiation），这也是关于大脑学习、记忆机制的一种很流行的观点。
尽管这种回放和突触增强的现象在清醒状态下确实存在，可是在睡眠状态下，还没有直接证据证实，在回放时，突触联系得到了加强。不过，这倒是正好符合新理论的推测：当人们进入睡眠状态，对外界没有意识时，回放以及其他看似随机的大脑活动其实会弱化神经联系，而非加强。
“削弱”记忆的好处
突触联系的增强与弱化并存，对于大脑的正常运转非常重要，这其实很好理解。其一，加强突触联系的能耗更高，而大脑储存的能量并不是无限的。大脑能耗占整个机体能耗的20%，是全身最耗能的器官（按单位重量耗能比），其中至少有三分之二是用于突触活动。构建和强化突触是最耗能的细胞活动，这一过程需要合成和安置从线粒体（细胞能量工厂）到突触小泡（synapticvesicles，信号分子运输元件），以及传递突触信息所需的各种蛋白和脂质等大量细胞元件。
显然，这种高能耗体系是“不可持续”的。大脑不可能终生日夜不停地维持和加强突触联系。我们并不否认突触增强能强化记忆，我们只是怀疑，突触增强是不是晚上睡觉时也在继续。
我们认为，在睡眠期间弱化突触，能把大脑回路所需的能量值调到基础水平，避免大脑过度耗能、细胞高度负荷。睡眠的这种调零功能可以将突触维持在动态平衡的状态（或称为稳态），因此，我们整个关于睡眠功能的假设也可被称为“突触稳态假说”（synaptichomeostasishypothesis,SHY）。其核心观点就是，对于所有需要睡眠的生命来说，维持突触稳态是睡眠最核心和最普适的功能，睡眠把大脑调到一个基础状态，清醒以后才能进行新一轮的学习和记忆。
而为了进行这种调适，我们必须冒一定风险，让整个机体在一段时间内处于对外界环境没有反应的状态。简而言之，大脑想获得根据外界经验调整神经回路的能力，即可塑性，就必须要睡觉。
但是，突触稳态假说如何解释睡眠对学习和记忆的益处呢？突触弱化以后，为什么整体记忆和经验还能保留下来呢？试想，大脑经过一整天的工作，所有经历的事情都会在脑内留下一定神经痕迹。一些重要的事情，比如认识了一个新朋友、用吉他学了一段新乐曲等，其实只是所有经过大脑的信息中的一小部分。要增强记忆，大脑必须学会区分不重要的“噪音”和重要的“信号”信息。
我们推测，睡觉的时候，神经元的自发放电会激活不同的神经回路组合，包括新形成的回路和已有记忆的神经回路。（所以做梦的时候，“新仇旧恨”都会出现。）这些自发的神经活动其实是大脑在进行匹配和选择，大脑中已经存储了一些被认为是有意义的记忆，新的记忆如果与它们更吻合，就将被储存下来；同时，大脑还会弱化大量与已有记忆背景不吻合的突触联系。我们和其他一些科学家正在研究，大脑是以怎样的具体机制削弱代表“噪音”的突触联系，同时保留那些对应着有意义的“信号”的联系。
当尝试进行匹配，弱化“噪音”突触联系时，大脑最好对外界没有响应，也就是说，最好处于睡眠之中。另外，恢复突触稳态的过程也不该在我们清醒的时候进行，因为在白天，大脑活动主要是在处理新发生的事件，而不是以前在生活中积累的所有知识。与外界完全隔绝的睡眠状态，才能把大脑从新信息的“轰炸”中解放出来，为记忆的整合与巩固创造理想环境。
我们前后历时近20年，进行了许多实验，所有这些实验都得出了一致结论——睡眠时的自发脑活动确实削弱了神经回路的突触联系——可能是通过降低神经回路传输电脉冲的能力，或者直接“擦除”了这些突触。
这一过程被我们称为下调选择（downselection），它可以通过“优胜劣汰”的方法，筛选出“最适”的神经回路。保留下来的神经回路有些是被反复重点强化的回路（比如为了熟练掌握一首新曲子，而反复练习的正确吉他指法），或者能同以前的旧记忆很好地整合（比如在已知语言体系里新添一个单词）。反之，那些仅仅在清醒时稍有增强的神经回路（比如弹错的指法，还有陌生语言的词汇）则会被忘记。
下调选择将确保微不足道的事件不会在神经回路里留下长久的痕迹，而值得注意的回忆将被保留。而且下调选择还有一个作用，它能为新一轮的突触增强留出空间。事实上，确有研究显示，睡眠对于学习和记忆的部分好处在于，睡一觉之后有助于新记忆的形成（在下次睡觉前接触的知识）。很多研究表明，相比坚持一整天不睡，晚上睡一觉以后，学习新东西会更容易。
用脑过度导致“局部睡眠”
尽管下调选择的具体机制和选择的过程不详，目前在几个物种上的实验所得的结论还是很明显的：清醒时，突触联系的强度整体上更高，睡眠期间则会下降。这也是突触稳态假说的核心观点。我们可以试着验证其中一些有趣的推论，进一步证实这一假说。
如果这个假说成立，那么白天清醒时神经回路改变越多，晚上需要的睡眠必然也越多。反过来说，睡眠需求（sleepneed）可以用非快速眼动睡眠的慢波振幅和持续时间来衡量。为了探讨这种可能性，我们要求受试者学习一种新技能，用鼠标定位电脑屏幕上的目标物，难度在于屏幕上的光标和实际鼠标的移动方向完全相反。这种学习需要动用大脑的右侧顶叶皮层（rightparietalcortex）。结果显示，练习当晚，受试者睡着后，该皮层的慢波振幅明显比没有进行过练习的前一晚更大，说明该区域白天确实“辛苦了”。而且，经过一晚休息，慢波振幅又逐渐恢复到以前的水平。但在刚入睡时，受试者大脑局部那些大幅度慢波告诉了我们，大脑的特定部分在白天的练习中已经精疲力尽了。
后来，我们和其他一些研究者的很多实验都进一步证实，学习以及更普遍的突触活动，会增加局部脑区的睡眠需求。最近，我们甚至发现，如果长期或过度使用某个神经回路，那么这个回路中的神经元甚至会在其他脑区（甚至是机体本身）还清醒的时候，就径自“睡去”。也就是说，如果大鼠醒着的时间比平时长，这时有些神经元会出现短暂的间歇状态，就跟在非快速眼动睡眠期间的慢波状态一样。可是表面上看，大鼠还是醒着的，眼睛睁着，该干嘛还干嘛。
这种现象被称为局部睡眠（localsleep），它引起了不少研究者的兴趣。我们最新的研究显示，睡眠不足的人，脑中也存在局部间歇状态，此时继续学习新东西，间歇就会越来越频繁。也许，我们醒的时间太长，或是用脑过度的时候，大脑的某个区域就会自己悄悄打个盹。有时候我们自以为清醒，完全掌控一切，可是却误下判断、犯低级错误、反应急躁、情绪失控，也不知道这中间有多少是因为某个悄悄打盹的脑区。
（本文作者：朱利奥·托诺尼（GiulioTononi） （ChiaraCirelli）译者：冯泽君，编者有删改）