宵夜就跟孟婆汤一样,容易让人记不住K书的内容

2020-07-03    收藏713
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良好的睡眠对学习的重要性是目前主流的学说,而且已经广为人接受。在知识大爆炸的时代里,也很容易搜寻到这类的文章,其中不乏文章提及生理时钟对学习有影响,并建议出24小时的早鸟学习行程表;成年的家长们可能看了点头表示认同,但年轻学子们也许会眉头一皱,觉得根本不是这幺一回事。

何苦让猫头鹰早起抓虫?

晚上用功真的不好吗?先前的文章介绍过,我们每个人的内建生理时钟都可粗略分为两型:猫头鹰或是早起的百灵鸟。大部分年轻人是猫头鹰,少数为百灵鸟(约14%),所以多数年轻学子自然而然在晚上比较有活力;随着年纪增长,约过25岁后会开始移向早鸟型(约50岁成典型早鸟,所以年长者睡得早起得早。然而,即使年轻人大多是猫头鹰型,现在的学校上课制度却是以老师和父母(早鸟型)的工作行程表所设计的,所以对大部分的年轻人而言,在他们的黄金学习阶段,却要面临命中注定的睡眠剥夺(起床上课真的是要死一样的煎熬)。至于生理时钟随年龄增长而改变的原因将会在之后的「老化」专题文章内介绍,这里就不赘述了。

即使不考虑因为学校行程设计与年轻学子作息不符所造成的睡眠剥夺,网路文章往往建议早上才是学习的黄金时段,但是这样的提议本身并不符合生理时钟的理念。尤其是要高中生早上5点起床準备考试的战斗行程表,根本上犯了相同的错误。关于猫头鹰型学生与现行的学校制度不合而造成的学习上的不良可以参考这篇研究作为出发点。

我们都应该先知道自己是猫头鹰还是百灵鸟。如果没有因为制度而导致的睡眠剥夺,单从生理时钟角度出发,猫头鹰的学生们在晚上的学习效果是比较好的。很多读者一定有类似的经验:国三和高中时,过半夜的夜深人静时才是学习的黄金阶段,因为这时候学习时间与心智活力的时间吻合;但是同样的时段到了30岁时,就不再是学习的黄金时段了,学习速度如同从高铁变区间车,止不住的睡意不停踩剎车。30岁的我们,与年轻时相比,生理时钟已经偏向早鸟型,想睡的时间提早,隔天起床的时间也提早,最佳学习时段也改变了。而对百灵鸟而言,睡饱后的早晨的确是比较有效率的学习时段。

让猫头鹰早起抓虫,实在不是一件聪明的策略。

如何评估被干扰的生理时钟

从生活经验里,猫头鹰和百灵鸟的学习时段的差异直接反映出生理时钟的行为上的影响。我们也能合理推论若生理时钟被干扰,对学习会有负面的影响。但是我们要怎幺知道生理时钟被干扰了?最简单的方式就是评估睡眠-清醒週期。

临床上,科学家会让受试对象戴上像智慧手环的活动监测器(图1.),用以长时间纪录受试对象的睡眠-清醒週期。

宵夜就跟孟婆汤一样,容易让人记不住K书的内容 图片取自Linton Instrumentation官网
图1.手腕式活动监视器。科学家让受试对象戴上用以长时间纪录睡眠-清醒週期。纪录器的大小与市售的智慧手环有着类似的重量与大小,目的是不要让受试对象有不舒适的感觉。除了活动量(途中黑色的长条图),纪录器也能侦测当下受试者所暴露的光(lux,黄色线)。这对生理时钟领域是很重要的功能,因为夜间的光照会影响生理时钟。图片取自Linton Instrumentation官网

很多疾病都有生理时钟失常的病徵,而图2.举例出三个极端的对象做比较,由左到右分别是健康的受试者、阿兹海默症病患与亨丁顿舞蹈症病患。后面两个疾病都是神经退化疾病。即使没有相关的科学背景,我们也能一目了然三者间的不同:健康的人(图2a.)有着界线分明的睡眠-清醒週期。每条黑色的长条图都是活动量,活动量越高则黑色长条也会越高。每一栏都是连续48小时的纪录。

阿兹海默症病患(图2b.)明显地活动量减少,而且支离破碎;从记录的图可以看出即使是在应该睡觉的时间,病患依旧有活动,表示他们有着严重的失眠问题。亨丁顿舞蹈症病患(图2c.)也有着类似的问题:白天的时间有着断断续续的瞌睡情况,而夜晚则受睡睡醒醒的问题所扰。更详细的说明请阅读图2.的解说。

宵夜就跟孟婆汤一样,容易让人记不住K书的内容 图片修改自 Hastings and Goedert, Circadian clocks and neurodegenerative diseases: time to aggregate?, Current Opinion in Neurobiology, Volume 23, Issue 5, 2013, Pages 880-887, ISSN 0959-4388,
图2.透过手腕式纪录器所侦测的睡眠-清醒週期。由左到右分别是健康(左)与有神经退化疾病的受试者:阿兹海默症病患(中)与亨丁顿舞蹈症病患(右)。图片修改自Hastings and Goedert,Circadian clocks and neurodegenerative diseases: time to aggregate?,Current Opinion in Neurobiology,Volume 23,Issue 5,2013,Pages 880-887,ISSN 0959-4388

上图中每条黑色的长条图都是活动量(高度与活动量呈正比)。每一栏都是连续48小时(2天)的纪录。而下一栏会以上一栏的第二天作为开头的48小时纪录。所以,第一栏记录着第一天与第二天的活动-睡眠;第二栏记录着第二天与第三天的活动-睡眠;第三栏记录着第三天与第四天的活动-睡眠……以此类推。

透过这种纪录图,科学家可以评估受试者的生理时钟是否破碎(由左往右看同一天的活动-睡眠周期),与受试者的生理时钟是否精準(由上往下看不同天的活动-睡眠周期)。有显着生理时钟的受试者(图2a)有着集中且巩固的活动-睡眠周期,也就是受试者的活动期与睡眠期有着清楚的界线。此外,他们的生理时钟也很精準,也就是每天清醒活动与睡觉无活动的时间的一致性高。相反的,当生理时钟时钟强度下降时,活动-睡眠周期变得破碎,活动期与睡眠期没有明显的界线,且每天起床与睡觉的时间也显得飘移不定(图2b与2c)。

相同的概念一样可以运用在动物实验上。以齧齿类动物为例,研究员也可以透过记录日与夜的活动来评估生理时钟的状况。透过红外线动作感测器,动与静的活动变化能够轻易地记录下来。我们也可以放一个轮子在实验动物的笼子内,而轮子每分钟内转动几圈就是评估他们活动量的资讯。

图3.是实验鼠的在无干扰(图3A.)与会干扰生理时钟(图3B.)的环境下的睡眠-清醒週期。图片上方黑白交替的长条图代表着光照条件:白色是全光亮环境,而黑色是全黑暗环境。在无干扰的环境下,实验鼠有着集中且巩固的睡眠-清醒週期,每天的睡觉与起床的时刻也相当精準;相反的,当本该全黑的环境被给予光汙染时(图3B.的浅灰色),实验鼠的生理时钟受到干扰,结果实验鼠的睡眠-清醒週期变得破碎,且睡眠-清醒之间的界线变得模糊不清,表示他们的睡眠品质下降且在活动期变得容易打瞌睡。

宵夜就跟孟婆汤一样,容易让人记不住K书的内容 图片修改自JOURNAL OF BIOLOGICAL RHYTHMS, Vol. 27 No. 4, August 2012 319-327 DOI: 10.1177/0748730412448324
图3.实验鼠在控制环境与光汙染环境下的睡眠-清醒週期。图片上方黑白交替的长条图代表着光照情形: 白色是光亮环境,而黑色是全黑夜的环境,浅灰色是受到光汙染的黑夜环境。图片修改自JOURNAL OF BIOLOGICAL RHYTHMS, Vol. 27 No. 4, August 2012319-327 DOI: 10.1177/0748730412448324

由上图可以观察到,在光亮与全黑交替的环境下(图3A.),实验鼠的生理时钟表现显着,有着界线分明的睡眠-清醒週期。但是当原本该是全黑的环境收到光汙染时(图3B),实验鼠的睡眠-清醒週期变得零碎,表示他们的生理时钟受到干扰。

宵夜让你记不住,还变胖

虽然猫头鹰在夜晚学习效率较佳,但是这是在没有其他干扰因子条件下的结论。现实生活的情况是挑灯夜战往往伴随着宵夜作为战粮。食物对身体,尤其是代谢系统的肝脏,是很强的时间讯号(time giver),具有调整生理时钟的功能(参考文章)对学习和记忆有着怎样的影响呢?

儘管临床上(针对人的研究结果)需要更多的证据,实验动物的结果暗示着宵夜很有可能降低大脑的学习与记忆能力。以一篇2015年的研究(Loh et al 2015)为例,研究员将实验鼠分成两组:一组只能在活期间摄食,而第二组则只能在应该睡觉的时间摄食。两组在实验期间,摄取的食物总量相同,且总睡眠时间也相同。光照的条件在两组相同(都是白天全亮,晚上全黑的环境)。

经过两个礼拜后,研究员比较这两组实验鼠在学习与记忆能力上的差异。第一个实验是让实验鼠去探索两个相同的物品一段时间,然后将其中一个换成全然不同的新物品。这个实验是去评估实验鼠能分辩「新」与「旧」的能力。第二个实验是让实验鼠先听到一个声音的讯号,然后给予微弱的电击刺激;经过一段时间后,研究员会只给声音讯号但不会有紧接而来的电击刺激,并观察实验鼠是否仍然出现被电击而有的反应。这个实验目的是评估实验鼠是否能学会声音讯号与电击刺激之间的关联。这两个实验的方法都是针对长期记忆的评估。

结果显示,睡觉时间吃饭的组别在分辩「新」与「旧」的能力比较差;而且学会声音讯号与电击刺激之间的「关联」的能力也比较差。也就是说,连续两周的睡觉时间进食让这组的实验鼠的学习与记忆能力变差了。

生理时钟的齿轮扣着记忆与学习

究竟为甚幺生理时钟的好与坏能影响学习与记忆呢?

学习与记忆这两个词彙是如此的耳熟却也陌生,耳熟与这两个词彙在我们日常生活中常常出没,陌生则是因为很难给一个完整的定义,尤其又可以细分成多种不同类型的学习与记忆。我认为粗略的定义:

学习是个体因为经验而产生的行为/认知改变;而记忆是储存讯息的能力。

上面的陈述是最简单的说法;从这个说法衍伸,我们可以从改变的多寡与所需时间来评估学习的好坏,而储存讯息的能力当然是其中非常重要的环节。看过电影脑筋急转弯的读者一定有印象:带有情绪的记忆比较鲜明(如求婚时前后5分钟vs昨天晚餐吃了甚幺);而且大部分人都有经验过学习/记忆与情绪之间的牵扯:太强(精神无法集中)或太弱(没有动力)的情绪都会降低学习与记忆的表现。但是这里我们不谈论与情绪挂勾的複杂。

网路平台TED的影片简单地介绍了记忆形成的理论:

当我们经历一件事情时,这个经验会被拆解成很多小单位,以电讯号的方式,短暂的成为短期记忆。大脑中的海马迴是将短期记忆处理成长期记忆的重要区域,所以成为研究记忆的热门脑区。有趣的是,时钟基因也在海马迴被找到了,而且即使把海马迴从动物体内拿出做培养,这些时钟基因依旧有着週期性的活动;这个发现暗示着海马迴的生理时钟有可能调控着在日与夜的学习与记忆能力的变化差异。

神经与神经沟通的地方称为突触;而且当神经彼此间经常沟通,突触会增强,沟通效率会增加(想像一下背书时,第一次的困难和反覆几次后那种打通任督二脉的畅快),这个过程称作「长期增强作用(long-term potentiation)」,简称LTP。LTP目前被认为是学习与记忆背后的机制。科学家发现夜行动物在夜晚给与刺激时有较强的LTP,而日行动物则是在白天给与刺激时有较强的LTP,符合生理时钟在个体活动期去最佳化大脑对经验刺激的输入的假说。

在海马迴的神经细胞中,CREB(c-AMP response element binding protein)和MAPK(mitogen activated protein kinase)这两个蛋白质是重要的讯息传递者;当科学家直接干扰这两个蛋白质时,实验鼠的学习与记忆就会出现缺陷。科学家发现,当时钟基因Per2被剔除时,CREB和MAPK这两个蛋白质的多寡出现异常,而且实验鼠也有着学习与记忆上的缺陷。

在上述的实验鼠吃宵夜的实验中,进一步的调查发现,与学习与记忆能力息息相关的大脑结构海马迴,似乎是会受到食物讯号的影响:当在应该睡觉时间进食,海马迴的生理时钟被扰乱了,而且重要的负责讯息传递的蛋白质CREB的活动也受到干扰,而导致实验鼠出现的学习与记忆上的下降。

结语

虽然大部分的人都不是极端的猫头鹰或早鸟,但是随着年纪增长,我们都能亲身体验到自己的学习黄金时段的变化;儘管现在要改变学校的行程设计尚不可行,依旧希望家长和学生们在对生理时钟有概念后,能明白青少年学生作息的必然,掌握最佳的学习时段。

实验动物的结果当然是在比较单纯的环境条件下而得:曝光时间相同、成长环境相同、基因背景极度类似、连续不间断的两週宵夜进食等等,都是在真实生活中很难在以人为对象而控制的变化因子。但是,这不代表我们不必对自己的生活习惯警惕;事实上,其他会干扰生理时钟的现代生活方式如夜班和时差,都已经有临床报告指出会降低我们的记忆与学习能力(McDonald et al 2013)。

还在为自己找一个抗拒宵夜盐酥鸡的理由吗?不想要让自己忘记刚刚才念完的书也许是个好答案。

参考资料

Misaligned feeding impairs memories. Loh et al 2015; eLife 2015;10.7554/eLife.09460Multiple effects of circadian dysfunction induced by photoperiod shifts: alterations in context memory and food metabolism in the same subjects. McDonald et al 2013. Physiol Behav. 2013 Jun 13;118:14-24. doi: 10.1016/j.physbeh.2013.04.010.Smarr et al 2014. A time to remember: The role of circadian clocks in learning and memory. Behavioral Neuroscience, 128(3), 283-303.

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