研究人员在一项研究中将物理学和生物学相结合，首次提供了直接证据来解释我们为什么要睡觉。研究人员将大脑视为一台生物计算机，在清醒时，它的资源会被耗尽。他们证明，睡眠会重置大脑的"操作系统"，使其恢复到理想状态，从而优化思维和处理过程。

这个问题一直困扰着科学家和研究人员：我们为什么要睡觉？满足这一基本需求能达到什么目的？如果你在Google上搜索"我们为什么要睡觉"，会从各种渠道得到不同的答案。有人说睡眠能清除大脑中的毒素，有人说睡眠能帮助身体修复和恢复活力，还有人说睡眠对长期记忆的形成至关重要。

现在，圣路易斯华盛顿大学研究人员的一项研究首次提供了可能回答这一问题的直接证据。

这项研究的通讯作者基思-亨根（Keith Hengen）说："大脑就像一台生物计算机。清醒时的记忆和经验会一点一点地改变代码，慢慢地将更大的系统拉离理想状态。睡眠的核心目的就是恢复最佳的计算状态。"

把大脑比作一台复杂的计算机并不过分。两者都使用电信号来传输信息，长期记忆就像硬盘一样用于存储和检索，而我们的神经元则类似于电路。使用电脑意味着在后台运行大量的资源垄断进程，这些进程会导致电脑随着时间的推移而变慢。本研究的研究人员运用"临界假说"，推测大脑也有类似的行为。

在物理学领域，临界状态描述的是存在于秩序与混乱之间临界点的复杂系统。物理学家在 20 世纪 80 年代末首次提出临界点的概念，他们利用一套简单的规则，将成千上万的沙粒投放到一个类似棋盘的网格上。沙粒最终会堆积到一个点，在这个点上，大大小小的雪崩会毫无征兆地开始，一个方格中的沙粒会层层叠加到其他方格中。

研究报告的合著者之一拉尔夫-韦塞尔（Ralf Wessel）说："整个系统将自身组织成极其复杂的东西。"

将临界假说应用于大脑，研究人员将每个神经元比作遵循基本规则的单个沙粒。神经雪崩类似于物理学家创造的沙崩，级联是系统达到最复杂状态的标志。如果神经元达到了太多秩序和太多混乱之间的甜蜜点，它们就达到了临界点，在那里，大脑的信息处理能力达到了最大化。

亨根和韦塞尔在 2019 年对临界理论进行了探索，证明大脑会积极努力维持临界状态。在目前的研究中，他们和其他研究人员试图在临界性框架下理解睡眠的功能。他们测量了幼鼠在正常睡眠/觉醒周期中自由活动时视觉皮层中单个神经元的电生理反应。

亨根说："我们可以通过神经网络跟踪这些小的级联活动。在临界状态下，会出现各种规模和持续时间的雪崩。远离临界点后，系统就会偏向于只发生小雪崩或大雪崩。这就好比写一本书，只能用短词或长词。"

研究人员在刚从恢复性睡眠中醒来的大鼠身上观察到了各种大小的雪崩。在清醒期间，雪崩的规模越来越小。研究人员发现，他们可以通过追踪神经雪崩的分布来预测大鼠何时即将进入睡眠或醒来。当神经雪崩的规模减小到一定程度时，睡眠就临近了。

亨根说："研究结果表明，每个清醒的时刻都会推动相关的大脑回路远离临界状态，而睡眠有助于大脑复位。"

研究人员说，总的来说，这些数据支持这样一个模型，即睡眠具有恢复临界状态的功能，而这种临界状态在清醒时会逐渐受到破坏。他们的观察结果与他们的假设一致，即维持临界状态是睡眠的核心再生功能。

该研究发表在《自然-神经科学》（Nature Neuroscience）杂志上。