人是如何醒來的？

12-22

假如忽略所有外部刺激，人是否能自然醒來？假如能醒來，是由大腦哪種機製造成的嗎？

人醒來是個複雜的過程，其中有至少11種神經傳遞物質和荷爾蒙在起直接作用。

先總結，醒來或睡著是大腦的眾多神經傳遞物質分成紅藍兩大陣營互相對峙的結果。只是這些神經遞質的物理位置散布大腦各處，且互相作用，涉及很多的機制。

(長文預警，專業詞預警，嫌文章長請跳至第3、5節)

大腦睡-醒循環控制中心
睡-醒循環神經遞質
睡眠的體內平衡和生理節律鬧鐘(嫌文章長請跳至此處)
睡-醒開關機制
睡-醒紅藍對陣表(大腦結構、神經遞質選邊站)
起作用的重要神經遞質和荷爾蒙

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1. 大腦睡-醒循環控制中心

下圖顯示了參與造成睡眠和清醒兩種現象的最重要的大腦結構，包括大腦皮層、丘腦、下丘腦的一些細胞集群、基底前腦和腦幹。睡著和清醒反應了形成控制中心的細胞激活水平，每個中心的命名是基於神經遞質。一共有四個中心：激活中心A、促清醒中心W、促睡眠中心S和REM中心R。

激活中心(上圖A)

它由位於中腦和腦橋的乙醯膽鹼促生細胞組成，發送信號到丘腦中部，丘腦則發散信號到皮質層。激活中心的活動水平提高時，會造成皮質層激活。皮質層激活活動參與清醒狀態和REM睡眠。正是因為有了這個活動作為生理基礎，我們才會思維過程，在清醒時表現是思想，在睡眠中表現是做夢。位於腦幹和丘腦，參與皮質激活的整個系統被稱作上行網狀激活系統(ARAS).

促清醒中心(上圖W)

它由位於基底前腦的乙醯膽鹼促生細胞、食慾素促生細胞、下丘腦的組胺促生細胞、中腦的多巴胺促生細胞、腦橋的去甲腎上腺素促生細胞組成(5種組成，好複雜)。這個中心的細胞活躍度上升，則清醒度上升。清醒過程需要上面的激活中心活躍才可以達成。

促睡眠中心(上圖S)

它由位於下丘腦的Y-氨基丁酸(GABA)或GABA促生細胞和髓質的其他細胞組成。這個區域的細胞活躍度增加，則促進睡眠進程。多數情況下是依靠調節、抑制激活中心和促清醒中心活躍度來達到。

快速眼動中心(REM,上圖R)

REM中心由腦橋的乙醯膽鹼促生細胞組成。REM睡眠開始時，REM啟動細胞同時開始活躍。這些細胞同時也映射到髓質的運動控制細胞。這些細胞再把抑制信號傳送到脊髓和腦幹，使肌肉緊張度降低，形成肌肉麻痹狀態。這個過程同樣需要激活中心的活躍度。

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2. 睡-醒循環神經遞質

這裡總結在清醒狀態、NREM睡眠、REM睡眠的情況下，神經遞質促生神經元的活躍度變化。

圖中aminergic(胺類)指分泌胺類神經遞質的神經元，包括去甲腎上腺素、血清素和組胺。

下面是上圖中翻譯過來的正向作用：

產生類膽鹼的LDT-PPT 神經元：促清醒+，促REM++；親藍陣營
產生胺類的LC/DR/TMN 神經元：促清醒++，促NREM+；紅方陣營
產生食慾素類的LHA 神經元：促清醒++；紅方陣營
產生甘丙肽和氨基丁酸類的VLPO 神經元：促NREM++，促REM+。藍方陣營

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3. 內平衡睡眠驅動力和生理節律驅動力

簡單說，就是兩大陣營24小時不間歇地對峙，紅方勝則醒，藍方勝則睡：

雖然睡著時刻和持續時間是被複雜的生理進程調節的，但有兩個重點的對立進程：內平衡睡眠驅動力(藍方陣營，下圖的藍箭頭)和生理節律覺醒驅動力(紅方陣營，下圖的紅箭頭)。

藍方陣營在清醒的時間段逐漸增加睡眠內平衡壓力，當壓力達到峰值時，入睡時刻馬上發生。這個壓力只能由睡眠來降低。雖然這個過程的精確內在機制還是未知的，但有個理論是：一些大腦中的化學物質在清醒過程中快速累積。一個主要的可能物質是腺苷酸：越多的腺苷酸與其受體結合時，睡眠的傾向就越厲害。當然，除此之外還有其他可能的解釋。

紅方陣營中有調節生理節律的大腦結構參與。在白天，紅方陣營提高覺醒度，看似是抵消了睡眠驅動力。但是，在睡眠時，紅方陣營加強了睡眠傾向以避免覺醒，試睡眠可以持續。這個過程的機制中有位於下丘腦的視交叉上核和其他大腦結構的參與。

藍方陣營把你往下拉入睡眠，紅方陣營則把你往上拉到清醒。這兩個相反的作用互相抵消後形成的「絕對值」由上圖黑色曲線表示。曲線展示的睡眠傾向的變化是以24小時為一個循環，黑線位置越低代表睡眠傾向越高，當曲線下降到低於中間線這個閾值時，入睡時刻到來。在睡眠過程中(右邊灰色區域)，藍方陣營和紅方陣營都迅速下降，在凌晨清醒前都達到最低值。曲線的最低點是夜裡睡意最濃的時刻，保持清醒比較困難。而白天在午後的一次小低谷說明了為什麼這是一般人午睡的時間。兩個進程在睡醒前1-2小時達到最低值，之後生理節律覺醒驅動力升高，在睡醒前15-30分鐘時，黑色曲線超出中間線。由此看來，紅方陣營是使人醒來的最主要過程。

題主問的問題在此解答了，醒來時正好黑色曲線超出中間線，代表紅方勝，大腦逐漸被喚醒。

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4. 睡-醒開關機制

下圖是簡化的開關機制：

時鐘: 位於下丘腦的視交叉上核(SCN)掌握生理節律
開關:
開：側下丘腦(LHA)的神經元生產食慾素
關：腦側室前視核(VLPO)的神經元生產GABA和甘丙肽

注意，甭管紅藍陣營鬥爭得多激烈，最後的結局全高上面的機制來決定！一旦時鐘「響」了，紅藍對決的勝利者開始執行它的使命，紅方贏則清醒，藍方贏則睡去。像熬夜的時候，雖然時鐘響了，但是紅方還是佔優勢的，所以繼續保持清醒，只是時鐘會延後再次check。

生理節律的工作機制我的另一個回答里有說明：睡前進行若干次自我暗示明天幾點起床，第二天潛意識就能準點叫醒自己，這是什麼原理？ - 非典型土人的回答

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5. 睡-醒紅藍對陣

下面把大腦結構和各神經遞質試分類到紅藍陣營中：
（試排列，大腦結構為將領，神經遞質和激素是相應大腦結構分泌，所以為戰士）

紅方(清醒派)：

將領：

TMN 結節乳頭核
LC 藍斑核
DR 中縫背核

下屬戰士：

NE 去甲腎上腺素
5HT 血清素?
HIST/HA 組胺

將領：

LHA側下丘腦

下屬戰士：

ORX 食慾素神經元

藍方(睡眠派)：

將領：

VLPO 腦側室前視核
eVLPO 腦側室前視核延伸區

下屬戰士：

GAL 甘丙肽
GABA γ-氨基丁酸

騎牆派(稍傾向於清醒派)：

將領：

PPT 腳橋被蓋核(名字個性不？)
LDT 背外側被蓋核

下屬戰士：

ACh 乙醯膽鹼

下圖是兩陣營對質關係
(圖中顏色與上述紅藍陣營不對應，看縮寫即可。圖中缺少HA/ACh/LHA與大家的關係，略微不全面，理解它們的對立關係即可)

神經遞質之間的互促關係

可以理解為上文中紅方陣營有一堆小夥伴，它們互敬互愛互相激勵，互相激勵時則紅方陣營更強大，當然也不排除有互看不順眼的分子。

與促清醒相關的神經調節系統之間的互動是映射到皮質層的，促清醒調節系統主要被連接到一個互相刺激的網路。

如上圖中顯示，含乙醯膽鹼(ACh)的基底前腦，含食慾素(OX)的下丘腦側核，含血清素(5HT)的中縫核，含去甲腎上腺素(NA)的藍斑核(LC)，含組胺(HA)的結節乳頭核(TMN)神經元一起交互促進清醒。在實驗中，一旦其中一個部分被抑制了，其他部分會繼續保持激活來維持清醒狀態。唯一的例外是血清素，抑制類膽鹼和食慾素。皮質層投射谷氨酸能和GABA系統對皮質層的激活和清醒度同樣重要。

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6. 起作用的重要神經遞質和荷爾蒙

理解最後每個物質的簡單作用即可，可大概把它們劃分為紅藍陣營。(陣營劃分不保准，大概理解即可)

γ-氨基丁酸(GABA)
氨基丁酸是一種大腦里常見的神經遞質，通常負責抑制作用。使神經元停止工作或降低效率的一種方式就是釋放GABA。關於睡眠-清醒循環，GABA涉及的一個大腦重要區域就是下丘腦後(posterior hypothalamus,PH)。下丘腦後的神經元刺激被證明是有助於人的覺醒，而GABA濃度增加有助於進入睡眠。

簡單說，氨基丁酸有助睡眠。- 藍色陣營。

食慾素(Orexin/hypocretin/ORX)
食慾素是種與覺醒有關神經遞質，它幾乎只由下丘腦處分泌。生產食慾素的細胞損壞造成食慾素降低，可以引起了最常見類型的嗜睡症。食慾素調節涉及睡眠的多個系統，並且可以穩定清醒和睡眠狀態。食慾素負責調節的系統有多巴胺、去甲腎上腺素、組織胺和乙醯膽鹼系統。食慾素系統還負責整合來自的新陳代謝、生理節律和睡眠不足的狀態來決定身體應該是睡眠狀態還是清醒狀態。

簡單說，食慾素調節清醒過程中的多種神經遞質水平，有助清醒。 +紅色陣營。

谷氨酸(Glutamate)
谷氨酸是最常見的，而且是主要的刺激性神經遞質。有趣的是，谷氨酸是負責抑制作用的GABA的前體。谷氨酸參與了睡-醒循環的多個方面。腦橋網狀結構(pontine reticular formation, PnO)里谷氨酸的增加控制了睡眠時間，而在下丘腦後區(posterior hypothalamic region,PH-TMN)谷氨酸的增加幫助調節REM睡眠和覺醒。

簡單說，谷氨酸調節睡眠長度。-藍色陣營？

乙醯膽鹼(Acetylcholine,ACh)
乙醯膽鹼是一種經常參與肌肉激活的神經遞質，同時它也參與類膽鹼系統造成抑制效果。在睡-醒循環中，最重要的乙醯膽鹼神經元位於腦橋和基底前腦部位，在這些部位，乙醯膽鹼是REM睡眠啟動的重要因素。在REM睡眠狀態和清醒狀態時，乙醯膽鹼的濃度達到峰值。

簡單說，乙醯膽鹼有助清醒。+紅色陣營。

去甲腎上腺素(Norepinephrine/NE)
去甲腎上腺素同時有神經遞質和荷爾蒙的身份，它是有名的"壓力"荷爾蒙，同時也是「打或跑」決斷中起主要作用的物質。在睡-醒循環中，位於藍斑核(Locus Coeruleus,LC)中的甲腎上腺素是最重要的因素。這是從睡眠到覺醒的其中一個重要作用區域。另外，去甲腎上腺素的增多會降低REM睡眠的程度。

簡單說，去甲腎上腺素有助清醒。+紅色陣營。

多巴胺(Dopamine)
多巴胺是大家比較熟悉的神經遞質，很多人知道它是負責調節人的運動技能的。多巴胺的缺乏會引起運動機能障礙，比如帕金森症。多巴胺貌似是調節睡-醒狀態的，並且在進入每個狀態時起控制作用。多巴胺可以調低褪黑素水平，而褪黑素是睡意產生的部分原因，所以多巴胺很大程度上引起了從睡眠到清醒的過渡。

簡單說，多巴胺有助清醒。+紅色陣營。

褪黑素(Melatonin)
褪黑素是一種和睡-醒循環有普遍關聯的荷爾蒙。褪黑素水平每天根據時間變化，從而幫助調節人體的生理節律。夜晚/睡眠時褪黑素升高，白天/清醒時褪黑素水平降低。而褪黑素水平的變化又是由下丘腦的視交叉上核根據環境光線來調節的。簡單來說，環境越暗，體內褪黑素水平越高。

簡單說，褪黑素有助睡眠。- 藍色陣營。

血清素(Serotonin/5HT)
血清素是一種常跟抑鬱情緒負相關(血清素低則抑鬱)的神經遞質。它幾乎只產生於中縫核(Raphe nuclei)。血清素對睡-醒循環產生與去甲腎上腺素類似的效果，血清素幫助維持覺醒狀態、皮質反應，同時抑制REM睡眠。

簡單說，血清素有助清醒。+紅色陣營?

皮質醇(Cortisol)

皮質醇是種類固醇荷爾蒙，人會在有壓力時釋放它。在皮質醇釋放機制被干擾後，人可能得失眠症。皮質醇是腎上腺分泌的，用來幫助維持體內平衡。

陣營未知。

生長激素釋放素(GHRH)

生長激素釋放素促使腦下垂體前葉腺(anterior pituitary gland)釋放生長激素。GHRH會促進慢波睡眠，當GHRH水平升高，慢波睡眠被增強。

簡單說，生長激素釋放素有助睡眠。- 藍色陣營。

促皮質素釋放素(CRH)
這是一種參與對應壓力反應的縮氨酸。注射CRH會增強清醒水平，並且抑制慢波睡眠和REM睡眠。

簡單說，促皮質素釋放素有助清醒。+ 紅色陣營。

腺苷酸(Adenosine)
腺苷酸是一種有助睡眠的抑制型神經遞質。在每天睡醒後，腺苷酸水平在白天就開始慢慢增高，導致越來越困。人類在歷史上嘗嘗服用腺苷酸拮抗物來抵抗睡意，而最常見的腺苷酸拮抗物就是咖啡因。

簡單說，腺苷酸有助睡眠。- 藍色陣營。

完。

PS. 作為一個搬運工+翻譯+總結者表示，那些名詞好拗口啊，而且一個詞有兩種以上的英文縮寫，兩種以上的中文翻譯。至於還看不明白的，請多閱讀幾遍前兩段加深字體就OK了，不要為難自己。

擴展閱讀：
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3849591/
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3621793/
nih.govGABA release in posterior hypothalamus across s... [Am J Physiol. 1996]
http://en.wikipedia.org/wiki/Orexin
Orexins, energy balance, temperature, sleep-wake cycle
http://www.semel.ucla.edu/sites/...
Glutamate receptor
Sleep duration varies as a function of glutamate... [J Neurochem. 2011]
Rapid changes in glutamate levels in the posterior hypothalamus across sleep-wake states in freely behaving rats
Acetylcholine
http://web.mst.edu/~rhall/neuros...
Norepinephrine
http://academicdepartments.musc....
Feel-Good Brain Chemical"s Role in Sleep
Dopaminergic control of sleep-wake states.
Melatonin
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/...
Serotonin
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubm...
Cortisol
http://naturalmedicinejournal.ne...
Growth-hormone-releasing hormone
Growth hormone-releasing hormone and interleukin-1 i... [FASEB J. 1993]
Corticotropin-releasing hormone
Central Deficiency of Corticotropin-Releasing Hormone Receptor Type 1 (CRH-R1) Abolishes Effects of CRH on NREM But Not on REM Sleep in Mice
Adenosine
THE BRAIN FROM TOP TO BOTTOM
https://www.quora.com/What-happens-neurologically-that-causes-us-to-wake-up-from-sleep

難道不是被尿憋醒的嗎。。

當清晨的陽光照耀大地，萬物便開始蘇醒，尤其是，那些長得好看的。

主cpu休眠了，還有協處理器在計時！

就說我自己吧。有三種情況，一是鬧鐘把我嚇醒的。二是自然醒。三是心裡有什麼事沒做或者想去做，這件事喚醒我起床去做。恰恰是第三種情況每次都讓我睡不著睡不安穩。( ￣??￣? )