为什么老鼠睡眠的时间，相比大象长五倍？为何小孩子睡觉的时间会比大人更长？9月18日的Science Advances上刊载了包括圣塔菲研究所Geoffrey West在内的多位学者的论文“解密我们为何睡眠，量化分析揭秘早期发育中神经重组的突然转变”，指出幼儿在2.4岁时，睡眠时长及睡眠所发挥的功能会发生显著改变。
论文题目：
Unraveling why we sleep: Quantitative analysis reveals abrupt transition from neural reorganization to repair in early development
论文地址：
https://advances.sciencemag.org/content/6/38/eaba0398
睡眠能够修复大脑白天运行产生的有害化学物质，因此预期新陈代谢越快的动物，所需的睡眠时间越多。2007年的PNAS文章[1]，指出哺乳动物中，体重和相对睡眠时间之间，存在着幂律法则，体重越大，睡眠时间越短。
图中横轴代表大脑重量，纵轴是睡眠时间和清醒时间之比，每一点代表一种哺乳动物。图中展示的幂律法则，结合克莱伯定律描述的体型越大，代谢率越低（幂律系数为3/4），接近本文中的幂律系数-0.21。
而这篇Science Advances论文，考察的是新生儿在发育中的大脑体积和大脑新陈代谢率之间的关系。下图分别展示了不同年龄的大脑重量与脑部新陈代谢率，神经元数量，白质数量间，都呈现出超线性增长。
关于睡眠的功能，科学界有诸多猜想。除了前文提到的清理大脑中的白天积累的有害化学物质，睡眠还承担着重新整理及修复大脑连接的职责，而这对脑的学习能力是必不可少的。对于处在大脑发育期的幼儿，睡眠起到的这一功能更为重要。
根据这篇Science Advances论文，当幼儿在2.4岁前后，其睡眠总时间会显著降低，如下图所示。图中纵轴是对数化处理后的总睡眠时长和清醒时长之比，可以看到在2.4岁之后，睡眠时间显著下降。
睡眠过程包含多个周期，每个周期包含眼动睡眠（REM）和非眼动睡眠（NREN）。将幼儿的睡眠时长按照眼动和非眼动两类，下图说明了在0-2.4岁间，非眼动睡眠时间和清醒时间之比基本不变，而眼动睡眠占比在2.4岁后的断崖式降低，造成了总睡眠时长的降低。
眼动（左图）和非眼动（右图）睡眠和大脑重量级幼儿年龄的散点图
考虑到婴幼儿这段时间大脑会产生众多全新的连接，属于生长发育的关键时期。这段时间内，超长的睡眠，暗示了非眼动睡眠可能承担着重新整理及修复大脑连接的功能。而当2.4岁之后，由于大脑不再需要建立新的连接睡眠由眼动睡眠为主，发生相变，转为以非眼动睡眠为主，睡眠的功能则转换为清理大脑在白天积累的化学物质。
对该研究，作者Geoffrey West这样点评：这项研究首次指出大脑功能随发育会发生的突然转变，指出了正确类型的睡眠对大脑以及个人健康的具有的重要意义。即使食物充足，完全剥夺了睡眠的动物会很快死去。
参考文献：
[1] A quantitative, theoretical framework forunderstanding mammalian sleep
[2] Unraveling why we sleep: Quantitative analysis reveals abrupt transition from neural reorganization to repair in early development
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