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都是月亮惹的禍?月相對睡眠周期的影響

羅夏_96
・2021/07/08 ・2959字 ・閱讀時間約 6 分鐘

月亮,常被古今中外不少文化認定是造成一些自然災害的罪魁禍首。除了災害,自古人們也相信,月亮會影響人的情緒與行為。而發表在 Science Advances 的研究就指出,月亮確實會影響人的行為。不過不必擔心,月亮不會讓你變成嗜血的狼人,而是影響你的睡眠1

圖/Flickr

月亮與月相

月亮,是地球唯一的衛星,會圍繞著地球公轉。月亮本身不會發光,我們之所以能看到月亮發光,是因為月亮反射太陽光所致。而根據地球、月亮和太陽相對位置的改變,會使觀測者在地球上看到月亮的不同部分反射太陽光,這就讓月亮的形狀產生盈虧變化2

地球和月亮的相對位置不同,會決定月亮的形狀。圖/中央氣象局數位科普網

在地球上所觀察到的月亮形狀,我們稱之為月相。月相的變化是對應農曆日期的,從農曆初一、十五到月底,月相會隨著月亮公轉位置的不同而產生變化。初一,月亮位於地球與太陽之間,此時月亮的黑暗面對著地球,因此從地球上無法看到月亮,我們稱之為「朔」;十五,月亮公轉至地球的另一邊,此時地球位於太陽與月亮之間,月亮的亮面對著地球,因此從地球會看見又圓又亮的月亮,這一天被稱為「望月」或「滿月」。月相的變化會隨著月亮的公轉有著周期變化,而這個週期便被稱為月亮周期,該週期時間約為 29.5 天3

農曆日期與月亮周期。圖/中央氣象局數位科普網

月亮會影響睡眠?

人的活動與睡眠會受光線的影響,而太陽正是最大的自然光源,因此古人們大多依循著「日出而作,日落而息」的生活與睡眠模式。但除了白天的太陽,夜晚的月亮也是另一個自然光源。而在人造光源出現前,月亮更是提供夜晚光亮的唯一來源。因此科學家們推測,在月光充足的夜晚(尤其是滿月),人的活動也會增加,而這會影響人的睡眠時間。因此,人的睡眠也會受到月亮周期的影響。

不過對於月亮是否會影響人的睡眠,一直有兩派聲音。一派認為月亮週期確實會影響人的睡眠,尤其在滿月的時候,人的睡眠時間會減短;另一派則認為這純粹只是心理因素,月亮週期不影響人的睡眠。

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不過以往對於月亮是否影響睡眠的研究,都是讓受試者在特定時段(通常是滿月前後)於睡眠實驗室中進行。這樣雖然能使用實驗室的精密儀器檢測受者的睡眠狀態,但這樣的環境和研究時段,並不能完整記錄受試者在整個月亮周期間的睡眠變化,而且有些受試者在實驗室中也睡不好。因此來自美國華盛頓大學、耶魯大學和阿根廷基爾梅斯國立大學的國際聯合團隊,就對這個問題設立了新的實驗條件,以此想了解月亮究竟是否會影響睡眠1

圖/Giphy

研究團隊請生活在阿根廷的庫姆人協助研究。庫姆人自古就是生活在阿根廷北部以狩獵採集為生的原住民,他們有著相同的文化歷史。而隨著現代化的發展,這些庫姆人現在分別生活在都市化程度不同的社區中。

研究團隊選擇庫姆人的理由很簡單,依據庫姆人所生活的社區其都市化程度的不同,社區的供電狀況也不同。而社區的供電有以下三種情況:

  1. 完全沒有任何人造光源的鄉村,只能仰賴太陽和月亮這兩個自然光源
  2. 光源有限的鄉村,居民家中通常只有一個燈泡,而戶外沒有任何人造光源
  3. 人造光源充足的都市化社區,家中和戶外都有充分的人造光源

研究團隊藉此想比較,人造光源是否會干擾月亮對人睡眠的影響。

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他們請 98 位分別生活在不同社區的庫姆人,在研究期間隨身佩戴一支能記錄身體狀態的手腕型記錄器,接著研究人員對受試者進行 1 ~ 2 個月的觀察。這樣的好處是,不僅能長時間追蹤受試者在完整月亮週期下的睡眠狀態,而且還能降低環境對受試者睡眠的影響。

月亮真的會影響睡眠!

研究團隊在分析數據後發現,人的睡眠模式確實受到月亮週期的影響,而且這個影響不受人造光源的干擾!結果顯示,不論哪個社區的庫姆人,在滿月前 3 – 5 天是睡眠被影響最深的。在這幾天,受試者們的就寢時間平均會晚 30 分鐘。同時,受試者們的睡眠時間平均會減少 50 分鐘。

研究團隊另外對 464 名華盛頓大學的大學生也進行一樣的測試,而他們驚奇地發現,這些大學生的睡眠模式竟然也跟庫姆人一樣,會受到月亮週期的影響。縱使這些大學生不知道何時滿月,但根據數據分析顯示,他們同樣也在滿月前 3-5 天就寢時間最晚、睡眠時間最短(雖然這個影響較庫姆人小一點)。這似乎顯示了,不論種族、社經背景還是生活環境,睡眠模式都會受到月亮週期的影響。

圖/Giphy

為何滿月前晚睡又睡得少

那為何滿月前 3-5 天,人會晚睡又睡的少呢?研究團隊認為,這是因為那幾天晚上月光最亮,而這讓我們的祖先在那幾天夜晚能活動更久,因此更晚睡。久而久之,人類便發展出適應月亮週期的睡眠模式與生理時鐘。

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我知道你會想問:「滿月後幾天的月亮也很亮啊,怎麼那段時間人的睡眠不受影響?」其實這會月出月落時間有關。

正如太陽會東昇西落,月亮也會東昇西落,而不同月相的升落時間並不一樣。滿月前幾天的月亮在晚上 9 點左右位於天空正中央,此時段正好提供夜晚活動的人們充足的亮光,因此人們可在這幾天晚睡以增加夜晚活動的時間;而滿月後幾天的月亮則在凌晨 3 點左右位於天空正中央,此時段人要活動已經太晚,因此人並不會在這幾天晚上活動,也就不會特別晚睡了。

不同月相的平均升起、落下與位於天中的時間表。圖/參考資料3

研究團隊認為,月亮週期對睡眠的影響,將開啟睡眠與生理時鐘的新研究方向。過往我們已知,人類的生理時鐘是受光線所調控,而在充滿各式人造光源的今日,人類幾乎是不分晝夜的都暴露在光照下,而這會打亂人類的睡眠與生理時鐘。

但這篇研究發現,即使在隨時充滿光照的情況下,人的睡眠模式仍會受到月亮週期的影響,這顯示人體內的生理時鐘很可能有另一套機制是與月亮週期同步,而這個機制有待我們去深入研究。

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所以下次你又睡不好的夜晚,不妨抬頭看看天空。或許是因為亮晃晃的月亮正看著你,才讓你輾轉難眠!

參考資料

  1. Casiraghi L, Spiousas I, Dunster GP, McGlothlen K, Fernández-Duque E, Valeggia C, de la Iglesia HO. Moonstruck sleep: Synchronization of human sleep with the moon cycle under field conditions. Sci Adv. 2021 Jan 27;7
  2. 月亮
  3. 月相

延伸閱讀

  1. 睡不好嗎?看看今天是農曆幾號
  2. 月圓是否影響睡眠,會?不會?
文章難易度
羅夏_96
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同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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我們的失眠和喜鵲的失眠有什麼地方不一樣?
胡中行_96
・2022/05/12 ・2031字 ・閱讀時間約 4 分鐘

輾轉反側,徹夜難眠的時候,您幾點起床?就算醒了,工作效率是否異常低落?
在此,請您非但別只想到自己,還要拿出一點同理心:因為被剝奪睡眠的澳洲喜鵲,也深受困擾。

徹夜難眠很可能會影響工作效率。圖/Pixabay

捉野生喜鵲來做失眠相關的實驗

2022 年 4 月的《科學報告》期刊,有一篇標題冗長的論文,叫做〈失眠削弱澳洲喜鵲的認知表現並改變其歌曲產出〉[1]。其第一作者澳洲 La Trobe 大學博士候選人 Robin Johnsson,認為歌唱的時辰與類型,對於喜鵲的社交生活相當重要,並以此做為研究主題[2]。且不論在 COVID-19 疫情之前,有些人就已經沒什麼社交生活,更不要談呼朋引伴一起歡唱 KTV,人家喜鵲可是隨時都過得多采多姿。

喜鵲齊聲合唱。影/Youtube

於是,牠們就被科學家抓去做實驗了。

首先,研究團隊架設陷阱,用起士誘捕野生喜鵲。為牠們戴上標有序號的腳環之後,再關進裝有監視器的房間裡。接著,為了測量腦電波圖(electroencephalogram, EEG)與肌肉電位圖(electromyogram, EMG),科學家把無辜的喜鵲抓來開刀。於其腦部表面和頸部肌肉,植入電極貼片(electrodes),方便之後記錄睡眠狀態[1]

然後,喜鵲們就去接受特訓。

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反覆訓練後篩選符合資格的喜鵲來做失眠實驗

研究團隊準備了一種木製食器,左右各挖一個淺槽。其中一個槽裡,盛裝少量起士和麵包蟲。第一次食物直接攤在眼前,不加以掩飾;第二次猶抱琵琶半遮面;第三次開始蓋子完全擋住凹槽,令喜鵲啥也看不見。在訓練的初期,全部的食器都採用灰色蓋子。直到最後的「聯想學習」(associative learning),蓋子被換成黑色或白色。喜鵲掀開特定顏色的蓋子,發現下面藏有食物。這樣重複 15 次,讓牠們不把「食」、「色」的關係兜在一起也難[1]

認知測試的教具,澳洲喜鵲執行聯想或逆向學習任務。圖/參考資料 1

結訓後,研究團隊把食器裡的獎勵換成「不會動的麵包蟲冷盤」(chilled, unmoving mealworms),為喜鵲舉辦驗收成果的模擬考。除了執行「聯想學習」的覓食活動,科學家也期望牠們展現「反轉學習」(reversal learning)的能力。將蓋子的顏色調換,要喜鵲嘗試選出有食物的凹槽。這個階段有一些評分要點[1],例如:

  1. 喜鵲做出第一次選擇時,是否有延遲的行為。緩慢的反應,代表注意力不集中,或動機下降。
  2. 喜鵲得經過幾回,才能達到連續 12 次嘗試中,有 10 次正確的及格分數。
  3. 喜鵲選擇正確瓶蓋的比率。

凡是順利通過模擬考的喜鵲們,便能晉升至下一關。

在實驗的主要階段,喜鵲們被劃為三組,分別體驗下列三種睡眠模式之一:無干擾睡眠、6 小時睡眠剝奪,以及 12 小時睡眠剝奪。研究人員防止喜鵲睡著的花招,包括:迫近或拍打鳥舍、發出噪音,或是輕撫充滿睡意的喜鵲[1]。如同可憐的臺灣中學生,明明前晚都沒睡飽,隔天還得參加考試。研究人員存心要看失眠的喜鵲,怎麼失常。

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人類跟喜鵲一樣會被睡眠影響行為

正式測驗的結果不出所料,沒睡飽的喜鵲容易犯錯,而且要花較長的時間,才能選出正確答案。有些喜鵲甚至失去參與測驗的動機,傾向找機會補眠。其實以前的研究便顯示,失眠也會降低人類的認知表現。諸如參與動機、清醒程度(alertness)、注意力、警戒等級(vigilance)等,都會受到負面影響[1]

除了喜鵲考試的成績,科學家也記錄了牠們社交行為的變化。失眠的喜鵲寧可睡覺,也不要唱歌。最後就算唱了,單曲的長度卻意外地延展。原本的晨曲改在中午演出,頻寬變得狹窄,內容相較貧乏,顫音也明顯減少。這與人類的口語溝通,大同小異。當一個人睡眠不足,說話的速度會緩慢下來,咬字不如平常清晰,語句重覆的機率提高,甚至可能妨礙聽眾理解講者所要傳達的訊息[1]

澳洲喜鵲有複雜的家族。牠們用歌聲來劃定疆域,分辨敵友,並建立「鳥」際關係。失眠不僅會害喜鵲把歌唱得七零八落,也會進一步危及其社交生活。既然以往的人類睡眠實驗結果,與喜鵲有那麼多的相似處,下次在抱怨疫情害自己沒朋友之前,我們是不是應該先睡飽,再來思考怎麼社交呢?

睡飽再來社交比較不會被睏意影響思考。圖/Pexels

備註:此實驗結束後,參與受試的澳洲喜鵲,均在 2019 年 7 月被野放。

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參考資料:

  1. Sleep loss impairs cognitive performance and alters song output in Australian magpies (Scientific Reports, 2022)
  2. Researchers find what magpies lose from hitting snooze (Brisbane Times, 2022)

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胡中行_96
169 篇文章 ・ 65 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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「失眠」跟「睡不好」,到底哪裡不一樣?——《夜行大腦》
臉譜出版_96
・2021/12/19 ・1876字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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  • 作者 / 蓋伊・萊施茨納(Guy Leschziner)
  • 譯者 / 郭庭瑄

失眠患者的寂寞感無可比擬。他們半夜獨自醒來,整個世界都在酣眠。克萊兒用日記記錄自己的睡眠情況,她寫道:「家裡其他人都睡著了。我真的很絕望。試過這麼多方法,每天晚上卻還是會下樓回到客廳,一個人坐在這裡。感覺好孤單,好像看不到盡頭,永遠不會結束。」

事實上,她並不孤單。差得遠了。失眠問題普遍到令人難以置信。若你和克萊兒一樣發現自己無法入睡、難以入睡,或醒來時覺得沒睡好,只能說歡迎你加入會員眾多的失眠俱樂部。失眠是最主要也最常見的睡眠障礙,大約有三分之一的成人都睡不好,十分之一左右的成人患有慢性失眠,以致長期睡眠品質不佳,白天還會出現疲勞、易怒、注意力不集中和缺乏動力等情況。

然而,失眠不只是一種身體病況,也是一種症狀,例如甲狀腺機能亢進或特定藥物治療都會引發失眠。此外,失眠也可能是精神疾病的特徵,比方說焦慮症、憂鬱症或躁鬱症等。事實上,百分之五十的失眠患者都患有精神疾病(但也表示有百分之五十沒有)。失眠是一種正式的醫學疾病,但在沒有其他潛在問題的情況下,這兩個字頂多算是概括的術語。失眠有很多種,雖然聽起來很奇怪,但不是每個失眠患者都有睡眠不足的困擾。

有些人的「睡不好」屬於主觀認知,沒有客觀證據支持。我很少請失眠患者到睡眠實驗室進行研究,畢竟一個在家都睡不好的人要是全身覆滿電極貼片躺在陌生的床上,知道自己的一舉一動都會被記錄下來仔細分析,肯定更難入眠。不過,若要進一步探究失眠的原因,檢測是否有其他睡眠障礙,我就會請病人到實驗室住一晚。

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「 睡眠狀態錯覺」 患者的實際生理數據看似正常,但主觀上卻感覺睡眠品質不好。圖/Pexels

睡眠研究結束後,我會問病人睡得怎麼樣,很多病人都會說「我睡得很不好」,可是一看到睡眠研究結果,才發現眼前這些堅稱自己只睡了一、兩個小時的人其實睡得很好,不僅睡了七個多小時, 深度睡眠也很足。這種類型的失眠稱為「 睡眠狀態錯覺」(sleepstat emisperception)或「矛盾性失眠」(paradoxical insomnia),而這種現象或可用來解釋為什麼不少失眠患者的睡眠研究結果都很正常,與病患本身的認知有落差。這類患者感受睡眠的方式不一樣,也許他們把重點放在睡眠品質,但睡眠品質無法用「睡眠多項生理檢查」這種標準測量技術來判定;又或者他們的大腦於短暫覺醒(此為正常睡眠的特徵之一)間活動,以致他們將之感知為清醒狀態,而非睡眠研究顯示的深度睡眠。

其他失眠患者可能會有睡眠中斷的問題,每晚發作幾次,但總睡眠量正常。有些人就算總睡眠時間減少,深度睡眠量依舊處於正常範圍,這個階段的睡眠非常重要,是修復身體與養足精神的關鍵。

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深度睡眠是修復身體與養足精神的關鍵時期,也是睡眠品質的重要指標。圖/Pixabay

至於像克萊兒這樣的重度失眠患者,客觀證據在在顯示他們的睡眠時間很短,有時每晚只睡幾個小時。這類病患身上會出現攸關壓力的生物學特徵,即所謂的「過度醒覺」狀態(hyperarousal,或稱過度激發狀態),舉凡神經緊繃、心跳加速、高度警覺、興奮或警戒感等都是過度醒覺的徵狀。

一旦遇上壓力,許多激素和神經傳導物質都會發揮作用,緊張或焦慮狀態也會刺激人體中多個系統,導致皮質醇、腎上腺素和去甲腎上腺素濃度上升,尿液中這些激素的分解產物含量也會變多。「過度醒覺狀態」的特徵還包含夜間心率加速、耗氧量增加(表示代謝率更高)和瞳孔放大,反映出交感神經系統活動增強,而交感神經系統正是負責調節「驚嚇、戰鬥、逃跑」反應的主要機制。重點是,實際上睡眠量充足的失眠患者並不會出現這些反應。

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——本文摘自《夜行大腦:從失眠、夢遊到睡眠中躁動、暴食、性交……,神經科醫生與睡眠障礙的決鬥傳奇,揭開你不知道的睡眠祕密》/ 蓋伊・萊施茨納,2022 年 1 月,臉譜出版

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臉譜出版_96
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都是月亮惹的禍?月相對睡眠周期的影響
羅夏_96
・2021/07/08 ・2959字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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月亮,常被古今中外不少文化認定是造成一些自然災害的罪魁禍首。除了災害,自古人們也相信,月亮會影響人的情緒與行為。而發表在 Science Advances 的研究就指出,月亮確實會影響人的行為。不過不必擔心,月亮不會讓你變成嗜血的狼人,而是影響你的睡眠1

圖/Flickr

月亮與月相

月亮,是地球唯一的衛星,會圍繞著地球公轉。月亮本身不會發光,我們之所以能看到月亮發光,是因為月亮反射太陽光所致。而根據地球、月亮和太陽相對位置的改變,會使觀測者在地球上看到月亮的不同部分反射太陽光,這就讓月亮的形狀產生盈虧變化2

地球和月亮的相對位置不同,會決定月亮的形狀。圖/中央氣象局數位科普網

在地球上所觀察到的月亮形狀,我們稱之為月相。月相的變化是對應農曆日期的,從農曆初一、十五到月底,月相會隨著月亮公轉位置的不同而產生變化。初一,月亮位於地球與太陽之間,此時月亮的黑暗面對著地球,因此從地球上無法看到月亮,我們稱之為「朔」;十五,月亮公轉至地球的另一邊,此時地球位於太陽與月亮之間,月亮的亮面對著地球,因此從地球會看見又圓又亮的月亮,這一天被稱為「望月」或「滿月」。月相的變化會隨著月亮的公轉有著周期變化,而這個週期便被稱為月亮周期,該週期時間約為 29.5 天3

農曆日期與月亮周期。圖/中央氣象局數位科普網

月亮會影響睡眠?

人的活動與睡眠會受光線的影響,而太陽正是最大的自然光源,因此古人們大多依循著「日出而作,日落而息」的生活與睡眠模式。但除了白天的太陽,夜晚的月亮也是另一個自然光源。而在人造光源出現前,月亮更是提供夜晚光亮的唯一來源。因此科學家們推測,在月光充足的夜晚(尤其是滿月),人的活動也會增加,而這會影響人的睡眠時間。因此,人的睡眠也會受到月亮周期的影響。

不過對於月亮是否會影響人的睡眠,一直有兩派聲音。一派認為月亮週期確實會影響人的睡眠,尤其在滿月的時候,人的睡眠時間會減短;另一派則認為這純粹只是心理因素,月亮週期不影響人的睡眠。

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不過以往對於月亮是否影響睡眠的研究,都是讓受試者在特定時段(通常是滿月前後)於睡眠實驗室中進行。這樣雖然能使用實驗室的精密儀器檢測受者的睡眠狀態,但這樣的環境和研究時段,並不能完整記錄受試者在整個月亮周期間的睡眠變化,而且有些受試者在實驗室中也睡不好。因此來自美國華盛頓大學、耶魯大學和阿根廷基爾梅斯國立大學的國際聯合團隊,就對這個問題設立了新的實驗條件,以此想了解月亮究竟是否會影響睡眠1

圖/Giphy

研究團隊請生活在阿根廷的庫姆人協助研究。庫姆人自古就是生活在阿根廷北部以狩獵採集為生的原住民,他們有著相同的文化歷史。而隨著現代化的發展,這些庫姆人現在分別生活在都市化程度不同的社區中。

研究團隊選擇庫姆人的理由很簡單,依據庫姆人所生活的社區其都市化程度的不同,社區的供電狀況也不同。而社區的供電有以下三種情況:

  1. 完全沒有任何人造光源的鄉村,只能仰賴太陽和月亮這兩個自然光源
  2. 光源有限的鄉村,居民家中通常只有一個燈泡,而戶外沒有任何人造光源
  3. 人造光源充足的都市化社區,家中和戶外都有充分的人造光源

研究團隊藉此想比較,人造光源是否會干擾月亮對人睡眠的影響。

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他們請 98 位分別生活在不同社區的庫姆人,在研究期間隨身佩戴一支能記錄身體狀態的手腕型記錄器,接著研究人員對受試者進行 1 ~ 2 個月的觀察。這樣的好處是,不僅能長時間追蹤受試者在完整月亮週期下的睡眠狀態,而且還能降低環境對受試者睡眠的影響。

月亮真的會影響睡眠!

研究團隊在分析數據後發現,人的睡眠模式確實受到月亮週期的影響,而且這個影響不受人造光源的干擾!結果顯示,不論哪個社區的庫姆人,在滿月前 3 – 5 天是睡眠被影響最深的。在這幾天,受試者們的就寢時間平均會晚 30 分鐘。同時,受試者們的睡眠時間平均會減少 50 分鐘。

研究團隊另外對 464 名華盛頓大學的大學生也進行一樣的測試,而他們驚奇地發現,這些大學生的睡眠模式竟然也跟庫姆人一樣,會受到月亮週期的影響。縱使這些大學生不知道何時滿月,但根據數據分析顯示,他們同樣也在滿月前 3-5 天就寢時間最晚、睡眠時間最短(雖然這個影響較庫姆人小一點)。這似乎顯示了,不論種族、社經背景還是生活環境,睡眠模式都會受到月亮週期的影響。

圖/Giphy

為何滿月前晚睡又睡得少

那為何滿月前 3-5 天,人會晚睡又睡的少呢?研究團隊認為,這是因為那幾天晚上月光最亮,而這讓我們的祖先在那幾天夜晚能活動更久,因此更晚睡。久而久之,人類便發展出適應月亮週期的睡眠模式與生理時鐘。

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我知道你會想問:「滿月後幾天的月亮也很亮啊,怎麼那段時間人的睡眠不受影響?」其實這會月出月落時間有關。

正如太陽會東昇西落,月亮也會東昇西落,而不同月相的升落時間並不一樣。滿月前幾天的月亮在晚上 9 點左右位於天空正中央,此時段正好提供夜晚活動的人們充足的亮光,因此人們可在這幾天晚睡以增加夜晚活動的時間;而滿月後幾天的月亮則在凌晨 3 點左右位於天空正中央,此時段人要活動已經太晚,因此人並不會在這幾天晚上活動,也就不會特別晚睡了。

不同月相的平均升起、落下與位於天中的時間表。圖/參考資料3

研究團隊認為,月亮週期對睡眠的影響,將開啟睡眠與生理時鐘的新研究方向。過往我們已知,人類的生理時鐘是受光線所調控,而在充滿各式人造光源的今日,人類幾乎是不分晝夜的都暴露在光照下,而這會打亂人類的睡眠與生理時鐘。

但這篇研究發現,即使在隨時充滿光照的情況下,人的睡眠模式仍會受到月亮週期的影響,這顯示人體內的生理時鐘很可能有另一套機制是與月亮週期同步,而這個機制有待我們去深入研究。

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所以下次你又睡不好的夜晚,不妨抬頭看看天空。或許是因為亮晃晃的月亮正看著你,才讓你輾轉難眠!

參考資料

  1. Casiraghi L, Spiousas I, Dunster GP, McGlothlen K, Fernández-Duque E, Valeggia C, de la Iglesia HO. Moonstruck sleep: Synchronization of human sleep with the moon cycle under field conditions. Sci Adv. 2021 Jan 27;7
  2. 月亮
  3. 月相

延伸閱讀

  1. 睡不好嗎?看看今天是農曆幾號
  2. 月圓是否影響睡眠,會?不會?
文章難易度
羅夏_96
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同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟