失眠的時候大腦內部發生了什麼？

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不是專門研究神經科學的，但是看到這個問題產生了蜜汁興趣，於是看了些這方面的病理機制和臨床研究的文獻，姑且拋個磚先。
按套路來說，萬事開頭先找定義，失眠(insomnia)目前普遍接受的定義來自於美國精神病協會發布的Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders(DSM-5，精神疾病診斷和統計手冊)一書。書中定義是對於起始和維持睡眠有困難，以及早醒後無法重新入眠。臨床上這樣的入睡困難癥狀，要至少一周發生三次，能持續三個月以上，且和睡眠機會的充分與否無關。
換言之無論是由於自身的社交工作壓力，還是懸樑刺股的「自虐」，只要達到了這個指標就能稱之為失眠。而如果只是偶發性的原因，比如考試掛了，失戀了這樣焦慮得一兩晚沒睡，病理學上來說難稱失眠。下面放一張原書裡面對失眠各大指標定義的表格以供參考。

臨床上一般用於失眠症的診斷方法一般包括了多導睡眠圖（PSG）以及腦電圖（EEG）的記錄和綜合分析，具體方法學原理就不在這裡多說了。下面要談的失眠主要指原發性失眠(primary insomnia), 即非其他病理學原因引發的失眠，這一點要和並發性失眠區分。

下面就來回答題主的問題，失眠過程中大腦發生了什麼？
概括地說，失眠階段生理上的過度興奮會體現在交感神經(SNS)和下丘腦－垂體－腎上腺軸(HPA)的過度活躍程度上。
前者主要表現在血液循環系統中的兒茶酚胺（Catecholamines）量上調（主要包括了去甲腎上腺素，腎上腺素和多巴胺，也是嗜鉻細胞瘤的誘因），糖代謝加快，體溫升高，心率調節能力下降以及瞳孔縮放的改變。後者主要表現在與泌尿無關的腎上腺皮質激素水平升高上。（aka要是憋尿失眠的就別來找麻煩了）

詳細展開說「大腦發生了什麼」，我就從這幾項比較有意思的研究來舉例。

1. 失控的大腦皮層糖代謝
首次提出這個理論的是匹茲堡大學醫學院的David Kupfer, (插一句，老教授是前UPMC精神疾病中心主任以及前面提到的DSM-5編委會主任，他也曾經給我們這屆匹大醫學院的學生上過神經科學的課，講課逗逼而不失威嚴）。

言歸正傳，Kupfer的第一項研究對比了七個符合失眠定義的患者和20個睡眠正常的志願者腦部的糖代謝速率，使用的方法是示蹤同位素氟18標記的葡萄糖的代謝產物。他們觀測到到現象是在清醒狀態(waking)到非快速動眼期(NREM)的熟睡階段，正常睡眠者大腦皮層各個部位都發生了糖代謝速率的降低，而失眠患者的丘腦，前扣帶皮質和內側前額皮質的葡萄糖糖代謝速率依然居高不下，這就造成了失眠狀態下更強的產能和產熱。而兩年後他們的另一項研究再一次證實了入睡後的清醒能力（wakefulness after sleep onset, WASO, 原諒我彆扭的翻譯TOT）是和大腦皮層糖代謝正相關的，並且失眠症患者所遭受的社會壓力能引起他們喚醒系統的閾值降低，所以也就更容易蘇醒。

上面這圖就直觀地顯示了在失眠症患者中大腦皮層糖代謝無法下調的部位

2. HPA的激素風暴
說到激素調控對失眠的影響，這裡得先提一下另一位失眠研究領域的大家，來自賓州州立大學的Alexandros Vgontzas，他是提出了下丘腦－垂體－腎上腺軸(HPA)通過調控激素分泌對失眠對影響理論的奠基者之一。HPA軸在生理條件下是調控人應激反應的重要部分（相信高中課本肯定介紹過），這裡放一個簡圖標註一下。HPA的持續激活能合理解釋為什麼你一晚上沒睡第二天依然能夠精神集中地考試，為什麼你被老闆訓了一頓就有力量熬夜加班。。。

其實早在上世紀，科學家就發現給正常健康志願者靜脈注射促腎上皮質激素釋放激素（CRH），促腎上腺皮質激素釋放激素（ACTH）以及可的松以後，可以明顯減少快速動眼期睡眠和慢波睡眠。而Vagontaz研究組更是在失眠患者血液中探測到了更高的CRH和ACTH含量。

上面的圖很直觀地現實了這兩種激素在人體內的節律調節。黑線表示失眠患者的激素水平，白線表示正常人。可以看到，在每天22點到次日凌晨2點之間達到最低值，也就是正常人進入熟睡的階段，失眠患者的ACTH和CRH水平居高不下，這也是直接導致皮質激素水平升高而失眠的重要原因。結合社會分析，白天工作社交壓力比較大的人群，體內HPA活性相對偏高，會有大量的調節激素積累在血液中，這也能解釋晚上的失眠部分是因為白天的壓力造成的。

除此以外，其他激素也扮演了相當重要的角色。例如女性體內的雌激素和孕激素水平下調可以直接導致失眠，這也是絕經後女性以及脫荷爾蒙治療的乳腺癌患者所經常發生的不良反應。從流行病學角度講，正常人群中有10%－30%的成年人有失眠癥狀，其中失眠率上老人高於年輕人，女性高於男性。

上圖來自 wikipedia的地域性流行病學分析，越偏紅色表示每十萬人中失眠患者越多，比較意外的一點是亞洲地區（尤其中國）失眠患者比例偏少。

說著說著就扯遠了，希望以上回答能解釋題主提出的「失眠時大腦發生了什麼」，也期待著其他神經方向大神的補充和指正。

PS：其實失眠很常見，我們能做的是調節好自己的心態，改善自己的生活質量，不以物喜，不以己悲。答主常常深夜心血來潮，怒答幾個知乎，實則是為了更好地熬夜做實驗。。。匿了

按照慣例，最後附上我作答用的參考文獻：
1. Roehrs, Timothy, et al. "Physiological correlates of insomnia." Electrophysiology and Psychophysiology in Psychiatry and Psychopharmacology. Springer International Publishing, 2014. 277-290.
2. Nofzinger, Eric A., et al. "Functional neuroimaging evidence for hyperarousal in insomnia." American Journal of Psychiatry 161.11 (2004): 2126-2128.
3. Nofzinger, E. A., et al. "Regional cerebral metabolic correlates of WASO during NREM sleep in insomnia." J Clin Sleep Med 2.3 (2006): 316-322.
4. Vgontzas, Alexandros N., et al. "Chronic insomnia is associated with nyctohemeral activation of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis: clinical implications." The Journal of Clinical Endocrinology Metabolism 86.8 (2001): 3787-3794.
5. Vgontzas, Alexandros N., et al. "Insomnia with objective short sleep duration: the most biologically severe phenotype of the disorder." Sleep medicine reviews 17.4 (2013): 241-254.
6. Baglioni, Chiara, et al. "Sleep changes in the disorder of insomnia: a meta-analysis of polysomnographic studies." Sleep medicine reviews 18.3 (2014): 195-213.
7. Bonnet, M. H., and D. L. Arand. "24-Hour metabolic rate in insomniacs and matched normal sleepers." SLEEP-NEW YORK- 18 (1995): 581-581.
8. Born, Jan, et al. "Influences of Corticotropin-Releasing Hormone, Adrenocorticotropin, and Cortisol on Sleep in Normal Man*." The Journal of Clinical Endocrinology Metabolism 68.5 (1989): 904-911.
9. Matsumoto, Kinzo, Kazuma Ojima, and Hiroshi Watanabe. "Central corticotropin-releasing factor and benzodiazepine receptor systems are involved in the social isolation stress-induced decrease in ethanol sleep in mice." Brain research 753.2 (1997): 318-321.

大腦在不停地自我檢測：
我睡著沒？我睡著沒？
然後得到答案：沒睡著。

除工作原因外，失眠的人無非兩種：一是手裡拿著個手機，二是腦子裡有個劇場。
(′?｀)σ我放下手機就從一變成了二...

本來今晚高高興興躺在床上已經很累了睡覺覺吧，看了眼手機十點四十，恩放桌子上，睡覺。躺下，艾瑪不行還有20分鐘11點，不著急，於是拿著手機刷會微博，逛會知乎11點50了，行了睡覺睡覺。關燈，睡覺不行我得上趟廁所，今晚水喝多了（此刻我還沒有意識到我失眠）。上完廁所回來躺下，不行腿有點癢撓撓？撓啥啊睡覺等會它就不癢了，等會……不行還是撓撓吧撓撓舒服了睡覺。
翻過來，後背有點癢撓撓吧，撓！早撓早睡。行了睡吧，過了一會我是不是失眠了啊，不對啊我為啥失眠啊，不應該啊今天挺累的。今天為啥累啊巴拉巴拉巴拉……行了別想了睡吧
今天看著一對小情侶挺有意思的哈，咋有意思了？他倆挺傻的去買東西孩子給扔一邊了，這年頭啥奇葩都有。行了睡吧想他們幹啥。
翻過去，被子有點熱，看看幾點了，媽呀快三點了睡吧睡吧。一動不動。我操了，他媽的還讓不讓人睡了，我明天還得上班呢！！踢床，打滾，我操了求你了睡吧睡吧。操他媽的我他媽今晚不睡了總行了吧。過好一會安靜了，恩睡著了
感覺過了不到半小時鬧鐘響了，睡你媽賣批，起來幹活去。
我他媽困死了不想起不想起啊啊啊，起床洗漱，上班

我的大腦一直在想該怎麼睡著_(:з」∠)_

我不知道你們怎麼樣，我的大腦不停的在唱歌

可能大腦就在想自己發生了什麼吧

反覆上演各種情節已經發生的或者是臆想出來的，加上大腦清醒過程中對失眠的責備，每天都這樣。

大腦思如泉湧
you know
大到宇宙天際，小到螻蟻生殖器

我屬於那種一扔下手機就馬上精神百倍的失眠患者

btw，我曾經無數次在失眠的狀態下解開了好多推理難題，以及破解了好多絞盡腦汁不得其解的問題

每天基本就是，今晚我要早點休息了，然後每次到了一兩點，又是一句唉怎麼又遲睡了阿！？到底在想什麼呢。
這大概又是失眠了吧。。？
持續兩年了，我的心好痛！！

感覺腦子重演了整個宇宙的進程

拯救了N次世界，打敗所有對手。

大腦在想

再不睡覺就要猝死了

下一秒

禍害活千年，沒事沒事

下一秒

再不睡覺就要猝死了

下一秒

禍害活千年，沒事沒事

下一秒

……

嗯，以上。

謝邀！人的大腦在失眠狀態下，主要思考的事情有兩個。一是對自己既往人生的回憶和總結，之前好多陳年往事像電影一樣歷歷在目，二是對還沒入睡的焦躁和不安。大腦內部主要是興奮性神經遞質分泌增多。好多人失眠是合併有焦慮或者抑鬱。

跟平常一樣啊。
只不過平常是想著想著就睡著了，失眠是想著想著還是很清醒。

在想你為什麼工作高效又續航超強？

我的大腦可能在思考社會主義核心價值觀的內在含義吧

一直找周公下棋，就是敲不開他門~

唯二兩次失眠。
第一次是在初中住宿時，想家了。感慨一人的孤獨，下定決心認真學習報答父女。之後思考人生，思考DIE這個問題。我從哪來，發生了什麼，我該到哪去?徹夜未眠。
第二次是大學住宿時，宿舍一人咳嗽了一晚上，加之我睡眠質量比較差。躲在被子里咒罵了室友一晚上，直到天亮。
鬼知道初中到高中我發生了什麼。
有時候我必須聽見汽車駛過聲睡得更快，不知道為什麼，可能我從小住在大街旁邊吧，也許我渴望呼嘯而來的生活和車水馬龍的意境。
有時候周圍無人，夜深人靜，喜歡思考前半輩子的人生，太失敗了，然後羞恥的很快睡著了。基本一事無成。。。
每一次醒來都會迎接每一天的清晨，渴望會有新的生活，美好的一天。
那些抑鬱，不得志，善於思考的，亦或是沉浸在自己的Utopia中的，或許更加喜歡深邃而迷人的黑夜吧。

沒發生什麼，只不過手裡有個手機