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睡眠的主要功能是 讓大腦休息和幫助我們記憶 。
首先，很顯然，睡眠能幫助我們節約能量。
從前進演化的角度上來說，睡眠最開始可能只有一個簡單的功能，隨著演化的過程又不斷被賦予了新的使命。就好比當初手機是被發明用來打電話的，伴隨著科技的進步，我們逐步開始使用手機來拍照、上網、發信件和聊微信等等。研究表明，睡眠不是具備大腦袋和復雜記憶的脊椎動物所獨有的，幾乎所有的動物都是需要睡覺的（圖1）。簡單如細菌也有著晝夜節律。因此，在睡眠的好處中，適用於最廣泛的物種的好處很可能就是其最原始的作用。
圖1. 不同動物每天的睡眠時長。一般來說，捕食者和睡覺時相對安全的動物的睡眠時間較長；在睡眠中可能遭到攻擊的動物睡眠時間較短[1]。
這個功能很可能就是保存能量。幾乎所有的動物都會在一天中的特定時間段表現出較高的效率。視力好的動物在白天更高效。而依靠超音波生存的動物在夜晚更高效，更易捕捉獵物，而且不容易被天敵發現。睡眠時，哺乳動物體溫會下降1-2攝氏度，肌肉活動和腦力活動會大量減少，這能節省不少能量。在工作效率不高的時候睡眠可以幫助我們節約能量，這對在溫飽線附近掙紮的動物和原始人類是性命攸關的事情。在食物匱乏的季節，動物們會透過延長睡眠時間（甚至開始冬眠）來保存能量。
隨著前進演化的推進，某些物種擺脫了溫飽線的束縛，不再對終日為了填飽肚子而奔波，比如人類。甚至有人說睡一晚只能幫我們人類大約節省110卡路裏，僅相當於一個熱狗麵包。那是不是說，我們每天只要多吃一個熱狗麵包，就可以不用睡覺了？很顯然，答案是否定的。這說明，除了幫助節約能量之外，睡眠對人類還有更重要的意義。
其次，睡眠能幫助我們修復身體和大腦。
為什麽如果睡眠被剝奪，我們的身心都會感到非常難受？因為睡眠有助於我們的身體和大腦進行自我修復。睡眠有助於身體健康，期間會促進蛋白質合成、細胞更新、生長激素的釋放和修復免疫功能等等。同樣，睡眠也有利於大腦清除代謝廢物，讓大腦更高效的運轉（圖2）。睡眠不足往往能給我們的身體和大腦帶來多方面的危害（圖3）。
圖2. 小鼠大腦中的細胞外（間質）空間是腦脊液流動的通道，會從清醒時的14％增加到睡眠時的23％，這允許大腦可以更快地清除代謝廢物和毒素[2]。
研究表明，在睡眠中，抑制性神經傳導物質GABA的釋放通常是增加的，如果睡眠被剝奪的話，GABA會積聚在神經元中[3]，並且會在覺醒狀態下大量釋放出來。覺醒時GABA釋放量增多通常會導致註意力功能的損害[4]。因此睡眠不足往往會導致我們的註意力渙散，會因此忽視很多重要刺激，比如遠處紅綠燈訊號的變化。睡眠不足時工人發生事故、大學生學習成績不佳的主要原因之一。有人認為，在睡眠剝奪狀態下開車就如酒後駕車一般危險。
長期的睡眠紊亂會給我們帶來很多問題。比如在長期的太空旅行中，太空人會感到抑郁、易怒、警覺性下降、工作表現不佳。在南極工作的人，冬天睡眠也會很糟糕，並會感到抑郁。一夜不睡就會啟用人體免疫系統。似乎人體對睡眠剝奪的反應與對疾病的反應是一樣的。隨著睡眠剝奪時間的延長，人們會報告頭暈、震顫，並出現幻覺。
圖3. 睡眠不足會給身體和大腦造成廣泛而深遠危害。（圖片來自網路）
然而，個體對睡眠的需求存在差異。我們周圍有不少「夜貓子」，喜歡晚睡晚起。他們的大腦喚醒水平高於平均水平。研究表明，腺苷能在覺醒時不斷積聚，並引發睡意，在睡眠時則會被清理掉[5]。普通人通常比「夜貓子」更容易受益於咖啡因的提神效果。原因就是因為咖啡因作用機制是透過阻斷腺苷受體來提高覺醒度。
再次，睡眠能幫助我們鞏固記憶。
記憶的型別有很多，既包括陳述性記憶，也包括非陳述性記憶（詳見前文：記憶的分類及其理論模型）。可以說，記憶是我們應對復雜生存環境的基礎。睡眠不足的人的在記憶力任務中通常會表現不佳。相反，如果讓人先學習一些東西，然後馬上去睡覺，或者只是打個盹，他們的記憶通常都會得到提高[6]。因此給學生們的建議是：要在充分休息好的狀態下學習，睡前再做一些復習。
那麽睡眠是如何促進記憶的呢？研究表明，學習時的大腦活動模式會在睡眠期間「重放」（replaying）一遍，只不過速度更快一些（圖4）。並且，睡眠時這些腦區的活動水平與次日技能的提升高度相關[7]。在另一項有趣的研究中，被試的任務是記住幾個物體的位置。實驗組人群在充滿玫瑰香味的環境中做任務，對照組則在沒有香味的環境中做任務。晚上睡覺的時候，研究人員向實驗組被試呈現了玫瑰香味。結果，那些在記憶任務和睡眠中都問道玫瑰香味的人，記憶得到了提升。在被試清醒狀態下再次呈現玫瑰香味則不能帶來類似的效果[8]。這個結果表明，在睡眠中重現某些經歷有助於增強記憶。
圖4. 大鼠前額葉皮層中的神經元在學習任務時會一同被啟用，並且在學習後的睡眠中也會再次被一起啟用。圖中顯示，在學習後的睡眠中，神經元與神經元之間（神經元對）的互動相關性（cross-correlation）會呈現與學習過程中相似的模式[7]。這說明神經元可能在睡眠中 「重放」學習過的任務。（詳細分析請見之前回答：睡眠可以幫助大腦整理白天學過的知識嗎？）
睡眠促進記憶還可能與睡眠期間的紡錘波（慢波振蕩）有關。紡錘波是一種頻率為12-14Hz的腦電波，主要出現在第二階段睡眠中，代表了丘腦（腦內資訊的中轉站）與大腦皮層（儲存記憶的部位）間的資訊交換。在學習任務之後，老鼠和人類的睡眠紡錘波的數量都會增加[9]。並且，睡眠期間的紡錘波數量與非語言智力測驗得分有較高的相關性。也就是說，紡錘波還能預測智商。
圖5.睡眠期間發生的神經元的再啟用、慢波振蕩和突觸修飾被認為與記憶的增強相關[10]。（詳見之前回答：睡眠可以幫助大腦整理白天學過的知識嗎？）
睡眠增強記憶的另一個機制就是清除不必要的神經連線。我們日常生活中的經歷會強化突觸連線（腦細胞與腦細胞之間的連線），進而促進記憶，這就是所謂的長時程增強現象（Long-term
potentiation，LTP）。但是，隨著年齡的增加，我們大腦中的突觸連線會越來越多，而大腦的容量卻不會增加。如果任由突觸連線不斷增長，我們的大腦可能會因為不堪忍受持續不斷的活動而「燒掉」。因此，大腦需要在增強某些突觸連線的同時會代償性地削弱其他不必要的連線。這種削弱的過程通常發生在睡眠期間[11]。在清醒狀態下增強突觸連線，在睡眠中削弱不重要的突觸連線，這兩種效果相得益彰。這可能是睡眠促進記憶的最主要原因。
最後，稍微總結和展望一下。
睡眠作為動物們普遍共有的一項生命活動，它的早期功能可能僅僅是為了幫助生命體節約能量。伴隨著前進演化的進行，物種遇到新的機遇和挑戰，「大腦」不斷演化，睡眠也不斷被賦予新的使命。對於人類而言，透過睡眠來保存能量可能已經不是那麽必要了，恢復大腦的狀態和幫助鞏固記憶已經變成了睡眠的主要功能。或許，隨著科技的進步，大腦的修復和記憶的鞏固等功能今後可能也會不需要睡眠來執行。到那時候，我們還需要睡眠嗎？
一個小問題：未來的人類，是不是只要吃一個熱狗麵包、插入一張記憶芯片，然後就可以不用睡覺了呢？
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參考文獻：
1. Kalat, J., Biological psychology . 2015: Nelson Education.
2. Herculano-Houzel, S., Neuroscience. Sleep it out. Science, 2013. 342 (6156): p. 316-7.
3. Gvilia, I., et al., Homeostatic regulation of sleep: a role for preoptic area neurons. J Neurosci, 2006. 26 (37): p. 9426-33.
4. Akerstedt, T., Altered sleep/wake patterns and mental performance. Physiol Behav, 2007. 90 (2-3): p. 209-18.
5. Rainnie, D.G., et al., Adenosine inhibition of mesopontine cholinergic neurons: implications for EEG arousal. Science, 1994. 263 (5147): p. 689-92.
6. Stickgold, R., et al., Visual discrimination task improvement: A multi-step process occurring during sleep. J Cogn Neurosci, 2000. 12 (2): p. 246-54.
7. Euston, D.R., M. Tatsuno, and B.L. McNaughton, Fast-forward playback of recent memory sequences in prefrontal cortex during sleep. Science, 2007. 318 (5853): p. 1147-50.
8. Rasch, B., et al., Odor cues during slow-wave sleep prompt declarative memory consolidation. Science, 2007. 315 (5817): p. 1426-9.
9. Eschenko, O., et al., Elevated sleep spindle density after learning or after retrieval in rats. J Neurosci, 2006. 26 (50): p. 12914-20.
10. Euston, D.R. and H.W. Steenland, Neuroscience. Memories--getting wired during sleep. Science, 2014. 344 (6188): p. 1087-8.
11. Vyazovskiy, V.V., et al., Molecular and electrophysiological evidence for net synaptic potentiation in wake and depression in sleep. Nat Neurosci, 2008. 11 (2): p. 200-8.
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