梦从哪里来？为何我们的大脑能够每夜毫不费力地生成故事和图片？利用现有的技术，我们能够实实在在地记录下这些转瞬即逝的梦境吗？
在长达五年的实验中，科学家探究了睡眠期间的大脑活动，从而确定了负责产生梦境的大脑区域。
1快速眼动与其他睡眠
当美国芝加哥大学的欧赫内·阿瑟林斯基（EugeneAserinsky）与纳塔涅尔·克莱特曼（NathanielKleitman）于20世纪50年代发现快速眼动（REM）睡眠之后，这些问题的答案似乎变得触手可及。当时，两位科学家通过在头皮、眼球附近和肌肉上放置电极（即通过脑电图、眼电图和肌电图）来记录大脑活动，首次观察到了一种特殊的睡眠阶段。在这一阶段，大脑神经元十分活跃，与清醒状态极为相似，因此这种睡眠也被称为“异相睡眠”。
另外，他们观察到，在大脑高度活跃的同时，眼球也会出现持续的快速移动。根据这种特征，他们决定用“快速眼动”（rapideyemovement）的英文首字母缩写REM来指代这一睡眠阶段。
这些发现激发了两位科学家的好奇心，他们叫醒了实验中处于REM睡眠阶段的志愿者，并询问他们在醒来之前是否做了梦。结果表明，有74%的志愿者记得自己做了梦。而在“其他睡眠阶段”（也被称为非快速眼动睡眠或NREM睡眠），这一比例则降至17%。因此我们也不难理解，为何研究人员在最初发表这些结果的时候，声称他们找到了“能够确定梦是否会出现以及出现频率的方法”。
这一非同寻常的发现使得许多科学家开始重复这项实验。他们意识到，与其询问志愿者们是否做了梦，不如问问他们“苏醒之前脑海中出现了什么”。这样一来，即使处于其他睡眠阶段，在70%的情况下他们也能得到有关梦境的答复。但如今我们已经知道，发生在NREM睡眠与REM睡眠中的梦境常常难以区分。
这一发现给睡梦研究领域带来了更多的谜团。与REM睡眠相反，NREM睡眠中大脑的活跃度很低，在脑电图中显示的主要是平缓的波浪线，即低频的慢波。那么，大脑为何在活跃度如此不同的两个睡眠阶段都能产生梦境呢？
相关的解释层出不穷——有些研究者总结，大脑活跃度与做梦并无关联；有些人坚称梦并不发生在睡眠中，而是刚苏醒时思绪混乱导致的虚假记忆；还有一些人则怀疑NREM睡眠中产生的梦境由REM睡眠的入侵造成。
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2睡了还是醒着
由于这些不确定性，梦在科学世界被视作是一个模糊、有争议、难以探究甚至无法探究的话题。的确，探索梦的本质时会遇到种种阻碍，因为梦转瞬即逝，很快就会被人们遗忘，而且梦境的内容总是出人意料，难以用语言描述。由于以上原因，研究人员需要在夜晚唤醒志愿者，以便收集与梦有关的证据，但这对于志愿者和研究人员双方来说都不是什么愉快的经历。此外，还有技术层面的困难需要攻克。为了正确描述与梦有关的大脑活动特征，需要毫秒级的时间分辨率和精确的空间分辨率，来识别大脑不同区域的电活动。幸运的是，近年来取得的一些技术进步提高了我们研究睡眠的可能性。
高密度脑电图（high-densityEEG）技术相较于传统的脑电图有了明显的改善，科学家能在一顶脑电帽上装配多达256个电极。除了能够达到出色的时间分辨率（毫秒级），该技术还能通过“信源模型”（sourcemodeling），即利用数学算法计算出产生大脑活动的源头，实现大脑不同区域的电活动的高精度可视化。因此，在任何给定时刻，研究人员都能够通过高密度脑电图了解到，大脑皮层的哪些区域正处于活动状态。此外，脑电帽具有较高的舒适度，戴着它也可以在床上不受干扰地入睡。
近年来各种研究表明，同一时刻大脑各区域的睡眠状态并不一致，这引起了科学家极大的兴趣。尽管我们早就知道海豚大脑的两个半球是交替入睡的，但是人类的“局部睡眠”现象却是最近才发现的。利用诸如高密度脑电图和颅内记录等技术来近距离观察神经元之后，科学家发现，通常用于表征睡眠的慢波并不会在大脑的所有区域同时产生，而是局限于部分区域，而其余区域则观察不到。换句话说，在某些时刻，大脑的部分区域可以被认作是“清醒的”，而与此同时，其他区域却在“睡觉”。梦游就是一个“半睡半醒”状态的极端例子，它发生在深睡阶段，梦游者虽然能够活动，但大脑并不完全清醒。
人类自身的生理条件也能让睡眠和清醒两种状态混合在一起。比如，当一夜的睡眠即将结束时，大脑的某些区域已经醒了，而其他区域仍表现为睡眠状态才有的慢波。这种差异性是否多多少少反映了梦的存在及其特质？
3长达五年的实验
为了回答这个问题，在美国威斯康星大学麦迪逊分校的威斯康星睡眠与意识研究中心，中心主任朱利奥·托农（GiulioTonon）和我们一起开展了一项宏伟的研究。我们招募了一批健康的志愿者，他们愿意分享自己的梦境，并同意睡在实验室里。研究的第一阶段，我们让志愿者回家睡觉，并要求他们记录下每次睡醒前脑海里的最后片段。一开始，他们发现很难回忆起最后一场梦境；但两周之后，由于不断重复深夜的任务，这些志愿者已经足够专业。于是，他们顺利进入了第二阶段的任务——在实验室里过夜。
实验是这样进行的：到了晚上，志愿者戴上高密度脑电图的专用脑电帽，然后进入一间没有窗户的隔音房间睡觉。这样一来，志愿者的睡眠不会被打扰，而且能保证实验始终在相同的条件下进行。研究人员在另一个房间里，观察计算机屏幕上志愿者大脑活动的波形变化。每隔15至30分钟，一名研究人员就会利用计算机发出声音以唤醒志愿者，并通过对讲机询问他们最近一次做梦的内容。
在长达五年的实验中，我们重复了近一千次唤醒过程，并记录下了数百条与梦有关的信息。志愿者描述的梦境五花八门，令人惊叹——与朋友的对话、一个抽象的想法、佛祖腹部的清晰图像、某人面孔的模糊记忆、电影般复杂的长篇故事的最后一幕……但有时，志愿者报告他们没有做任何梦，就好像从完全无意识的状态中醒来。并且，这种情况不单单发生在深睡阶段，也会发生在REM睡眠阶段。
这些观察为我们研究与意识相关的大脑活动提供了独特的机会。梦可以被视作意识的一种特殊表现形式，会在我们与外界失去联系时出现。做梦时，大脑可以在不受环境刺激的情况下创造一系列画面。尽管梦境是虚构的，但梦中的经历与我们白天清醒时的经历有诸多相似之处——梦中我们也会看见图像、听见声音，也会思考和感受情绪。在睡眠过程中，有时大脑会陷入无意识状态，因此我们可以参照意识活动进一步了解大脑是如何在睡眠中运作的。换句话说，我们能够研究与意识相关的大脑神经元。
4关键的大脑区域
对比做梦时的大脑活动和从无意识状态醒来前的大脑活动，我们可以发现做梦的时候，大脑低频活动少，高频活动多。这种差别并不是普遍存在，而仅仅出现在被称为“后皮质热区”（posteriorcorticalhotzone）的大脑后侧区域。它包含视觉区及其他区域（如楔前叶和后扣带回），能够将不同形式的感官体验整合到一起。实验结果显示，要在睡眠时产生意识，并不需要激活整个大脑皮层。产生梦中意识的后皮质热区实际上是一个相对狭窄的区域。
另一大惊人之处在于，无论是在NREM睡眠中，还是在REM睡眠期间，做梦都与后皮质热区的激活有关。这一现象首次向我们解释了，为什么在大脑活动特点十分不同的两个阶段我们都有可能做梦。换而言之，梦的形成不需要全脑的参与，而仅需要激活后皮质热区这一特定区域即可。当志愿者明确记得自己做过梦时，即便他们想不起梦的内容，后皮质热区内的低频活动也比高频活动少。这似乎表明，后皮质热区中慢波的变化决定了梦是否存在，但无法决定我们能否记住梦的内容。我们观察到，与被遗忘的梦不同，当大脑多个区域被激活时，梦才会被记住。
除此之外，我们还观察到，在REM睡眠阶段，某些梦的内容与大脑特定区域的激活紧密相关。与之相似的是，如果大脑在清醒阶段感知相同的内容，这些区域也会被激活。举个例子，当志愿者梦到人脸的时候，梭状回面孔区会被激活，而在清醒状态下感知人脸时也是如此。尽管这一切看起来似乎理所当然，但却是科学界迈出的重要一步：它表明梦境反映了睡眠中产生的种种经历，因此梦并不像许多学者所认为的那样，只是苏醒时产生的虚假记忆。
在最近的一次实验中，我们想弄明白是否有可能实时预测志愿者的梦境。在监测志愿者后皮质热区的活动时，只要NREM睡眠阶段中高低频活动的比例超过一定数值，我们就会把他们叫醒。如果高频活动远超低频活动，我们就会猜测志愿者正在做梦。通过这种方法，我们在预测志愿者是否做梦时，能够达到87%的正确率。
5梦境重现
我们的研究成果解开了睡梦研究领域内的许多谜团，但却也引发了其他问题：是否有一天，后皮质热区能帮助我们预测，一个人在睡眠状态或其他非清醒状态下（例如昏迷或全身麻醉时）是否具有意识？后皮质热区是如何被激活的？出现在梦境中的图像是如何被决定的，其功能又是什么？我们有可能预测梦的大部分内容，甚至是整个梦境吗？
曾有科学实验尝试回答这些问题。日本奈良先端科学技术大学的神谷之康（YukiyasuKamitani）等人于2013年在《科学》（Science）上发表的一项研究表明，也许我们很快就能实时查看梦的内容。通过激活视觉区域（也包括后皮质热区）和运用机器学习技术，神谷的研究团队在志愿者入睡后利用核磁共振成像（MRI）成功破译了他们的梦境，并以视频的形式进行了重建。
其中一段视频展现了一系列与信件、数字和书法有关的图像，然后志愿者解释了自己的梦境：“我记得自己看到了一些字。梦里出现了一个类似于信纸的东西，可以在上面写字。我看了信纸上的字，是黑白的，并且除了这张信纸周围什么都没有。在那之前我还观看了一场电影，电影里有一个人，但我记不清楚了。”这个例子表明，基于人工智能的发展，我们或许可以预见睡着后梦境的大致内容。
随着数据分析技术的进步，也许在不远的将来，我们能更容易地获取不同的睡眠阶段甚至清醒状态下的类似视频资料。这样的进步不仅可以满足我们想解读梦境与思想的好奇心，而且有更重要的临床意义：比如将经历过脑部创伤、无法对刺激做出反应的病人脑中发生的事情可视化，或许有助于医生判断病人是具有意识、还是处于昏迷状态，从而制定更好的治疗方案。这些数据还有助于我们理解大脑是如何生成自己的现实世界的：与清醒状态下的外部现实世界相比，脑海中的现实（如梦境）有什么不同？当脑海中的现实与我们感知到的外部世界发生冲突时（如患有幻觉症的精神病患者），又会发生什么？或许与梦有关的科学研究能够提供一个新的出发点，尽管目前的发现仍不足以回答此类问题。
