有了这两个见解，我们做了一个粗略的计算，看看修复和重组是否对大脑中的代谢过程（大脑的扩展速度比整个身体更慢）有反应，可以解释睡眠时间如何变化的长期难题– 为什么大动物需要的睡眠比小动物少，为什么成年人需要的睡眠比婴儿少。我们很高兴看到结果在正确的范围内，那时我们开始认真对待这些想法，以推导出严格的、定量的和预测性的睡眠理论。

由于我们过去的研究，我们能够很好地开发方程式来表达睡眠时新陈代谢在修复和重组中的作用。以前，在研究衰老和寿命理论时，我们计算了新陈代谢造成的损害程度的估计值。我们关于睡眠的新理论是这一点的产物：我们在清醒时遭受的任何损害都必须通过睡眠期间修复这种损害所需的能量来平衡。我们通过观察大脑和身体来将这一见解置于语境中，以找出比例关系揭示了哪些在睡眠中起主导作用的比例关系。

这使我们能够推导出将睡眠时间与清醒时间相关联的基本方程。从那里，通过简单的代数运算发现表达和测试新理论的最佳方式是关注总睡眠时间与总清醒时间的比率如何随大脑（或身体）大小而变化。这代表了一个重大的偏离，因为之前的研究只关注绝对而非相对的睡眠时间或清醒时间。此外，我们的方程还要求在测试我们的理论时，绘制数据的适当空间是对数空间——从 1 到 10 的步长与从 10 到 100 或从 100 到 1,000 的距离相同的空间。这些简单的数学运算和变换——时间比，

为了测试我们的理论，我们首先分析了现有最大的成年哺乳动物睡眠时间数据集，范围从老鼠到大象。当根据我们的理论绘制这些数据时，我们很高兴地发现它们按比例缩放，正如我们对睡眠主要用于修复大脑的情况所预测的那样。这不仅适用于总睡眠时间。跨物种，我们还可以预测 REM 睡眠的比例和睡眠周期时间的缩放 - 在 REM 和非 REM 睡眠之间循环需要多长时间。这是非常令人满意的，让我们相信我们找到了正确的机制和正确的理论来解释我们为什么需要睡觉。事实上，我们已经推导出了一个关于成年动物睡眠时间的数学公式。

作为进一步的测试，我们后来想知道该理论是否也适用于随着个体成长而睡眠的变化。我们都知道新生儿和儿童的睡眠时间比成人长得多——但这是否反映了我们在不同物种中看到的变化速度和幅度？生长期间睡眠时间的减少是否反映了体型不断增加的哺乳动物的睡眠时间减少？该理论提出后，随着对理解睡眠的兴趣获得更广泛的科学和大众吸引力，出现了关于总睡眠时间、REM 睡眠时间、大脑大小和从人类出生到成年的其他特性的新数据。

睡眠的目的从儿童的神经重组转变为长大后的修复。

我们和我们的合作者怀着极大的期待绘制了新数据——并失望地发现儿童睡眠时间的比例与我们在不同物种中发现的结果大不相同。显然，我们的理论在应用于成长中的儿童时是不正确的。当我们进一步观察到 REM 睡眠量随着我们的成长而发生深刻变化时，我们的困惑越来越大。这与 REM 睡眠时间在不同物种之间几乎没有变化的方式形成鲜明对比。最后一个惊喜，我们还发现大脑代谢率和突触形成率（神经元之间的连接）的比例与我们预期的完全不同。

这些发现加强了我们对奇怪的和生物学上不寻常的睡眠过程的迷恋。然而，他们也明确表示，并且基本上“证明”了我们成长时需要睡眠的原因似乎与我们成年后需要睡眠的原因有着根本的不同，以及为什么睡眠因物种而异。因此，与睡眠和统计学专家 Junyu Cao、Alex Herman 和 Gina Poe 合作，我们回到了该理论的另一种版本，基于睡眠主要用于神经重组以处理来自日。从这个角度来看，睡眠仍然与大脑及其代谢活动有关——就像成年动物的修复理论一样。儿童早期出现的巨大差异是因为大脑的生长方式与成人大脑中的过程相比，我们早年的过程本身就非常不寻常。特别是，突触形成和大脑代谢率在这些早期阶段以惊人的速度增加：大脑大小增加一倍导致突触密度和大脑代谢率接近四倍。

基于这些见解，我们扩展了我们的理论，以便在生命早期睡眠的主要功能是神经重组，而不仅仅是修复。而且，瞧，我们能够预测观察到的总睡眠时间和 REM 睡眠时间如何在早期发育过程中随大脑大小和代谢率变化的关系。

将我们跨物种的发现与跨生长的发现进行比较，让我们想到了最后一个问题。如果睡眠的目的从孩提时的神经重组转变为长大后的修复，那么这种转变究竟何时发生，又有多突然？凭借我们的新理论加上人类发育数据，我们可以以惊人的准确度回答这个问题：这种转变发生在我们非常年轻的时候——大约2.5岁——而且它发生得非常突然，就像水在 0°C 结冰一样。

文章来源：《经济科学》 网址: http://www.jjkxzz.cn/zonghexinwen/2021/1009/935.html

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