研究人員在一項研究中將物理學和生物學結合，首次提供了直接證據來解釋我們為什麼要睡覺。研究人員將大腦視為一台生物計算機，在清醒時，它的資源會被耗盡。他們證明，睡眠會重置大腦的”作業系統”，使其恢復到理想狀態，從而優化思維和處理過程。

這個問題一直困擾著科學家和研究人員：我們為什麼要睡覺？滿足這項基本需求能達到什麼目的？如果你在Google上搜尋”我們為什麼要睡覺”，會從各種管道得到不同的答案。有人說睡眠能清除大腦中的毒素，有人說睡眠能幫助身體修復和恢復活力，有人說睡眠對長期記憶的形成至關重要。

現在，聖路易斯華盛頓大學研究人員的一項研究首次提供了可能回答這個問題的直接證據。

這項研究的通訊作者基思-亨根（Keith Hengen）說：”大腦就像一台生物計算機。清醒時的記憶和經驗會一點一點地改變代碼，慢慢地將更大的系統拉離理想狀態。睡眠的核心目的是恢復最佳的計算狀態。”

把大腦比喻成一台複雜的計算機並不過分。兩者都使用電訊號來傳遞訊息，長期記憶就像硬碟一樣用於儲存和檢索，而我們的神經元則類似於電路。使用電腦意味著在背景運行大量的資源壟斷進程，這些進程會導致電腦隨著時間的推移而變慢。本研究的研究人員運用”臨界假說”，推測大腦也有類似的行為。

在物理學領域，臨界狀態描述的是存在於秩序與混亂之間臨界點的複雜系統。物理學家在1980 年代末首次提出臨界點的概念，他們利用一套簡單的規則，將成千上萬的沙粒投放到一個類似棋盤的網格上。沙粒最終會堆積到一個點，在這個點上，大大小小的雪崩會毫無徵兆地開始，一個方格中的沙粒會層層疊加到其他方格中。

研究報告的合著者之一拉爾夫-韋塞爾（Ralf Wessel）說：”整個系統將自身組織成極其複雜的東西。”

將臨界假說應用於大腦，研究人員將每個神經元比喻為遵循基本規則的單一沙粒。神經雪崩類似物理學家創造的沙崩，級聯是系統達到最複雜狀態的標誌。如果神經元達到了太多秩序和太多混亂之間的甜蜜點，它們就達到了臨界點，在那裡，大腦的訊息處理能力達到了最大化。

亨根和韋塞爾在2019 年對臨界理論進行了探索，證明大腦會積極努力維持臨界狀態。在目前的研究中，他們和其他研究人員試圖在臨界性框架下理解睡眠的功能。他們測量了幼鼠在正常睡眠/覺醒週期中自由活動時視覺皮層中單一神經元的電生理反應。

亨根說：『我們可以透過神經網路追蹤這些小的級聯活動。在臨界狀態下，會出現各種規模和持續時間的雪崩。遠離臨界點後，系統就會偏向只發生小雪崩或大雪崩。這就好比寫一本書，只能用短詞或長詞。”

研究人員在剛從恢復性睡眠中醒來的大鼠身上觀察到了各種大小的雪崩。在清醒期間，雪崩的規模越來越小。研究人員發現，他們可以透過追蹤神經雪崩的分佈來預測大鼠何時即將進入睡眠或醒來。當神經雪崩的規模減小到一定程度時，睡眠就接近了。

亨根說：”研究結果表明，每個清醒的時刻都會推動相關的大腦迴路遠離臨界狀態，而睡眠有助於大腦復位。”

研究人員說，總的來說，這些數據支持這樣一個模型，即睡眠具有恢復臨界狀態的功能，而這種臨界狀態在清醒時會逐漸受到破壞。他們的觀察結果與他們的假設一致，即維持臨界狀態是睡眠的核心再生功能。

這項研究發表在《自然-神經科學》（Nature Neuroscience）雜誌。