睡眠是自然界各物種間廣泛存在的一種自然現象，我們對其所進行的各個層面上的研究工作從未停止。對睡眠的研究方向主要集中在以下三個方面：睡眠是什麼?睡眠的機制是什麼?睡眠的功能是什麼?想要很好地解答這些問題，需要藉助基礎神經科學和應用神經科學領域最新的研究方法。此外，對睡眠的研究也有助於人們瞭解意識，因為意識會隨著睡眠引起的腦部活動的改變而改變。
數十年來，人們一直認為，人在睡眠狀態下腦部活動會極大地減弱甚至消失。在睡眠狀態下感覺到意識消失以及心理活動的記憶消失等主觀感受似乎支援了上述觀點。即使像Charles Sherrington和Ivan Pavlov這兩位偉大的科學家也同樣支援這個觀點。
不過，在20世紀50年代至60年代，科學家發現了快速動眼(rapid eye movement, REM)睡眠期和慢速動眼(non-REM, NREM)睡眠期迴圈交替的現象，於是上述有關睡眠的觀點也隨之被推翻了。因為REM睡眠期與幻覺樣夢境(hallucinatory dreaming)有關，而這就證明了大腦在睡眠期的確有高度活躍的腦部活動。在發現這個現象之後不久，人們注意到如果大腦在REM睡眠期被“啟用”，那麼感覺訊號的輸入(sensory input)和動作訊號的輸出(motor output)都會同時中斷，也有研究人員形象地將這種現象稱為“離線”(‘off-line’)。
在90分鐘的REM睡眠期內，大腦處於高度的興奮狀態。在整個睡眠過程中，REM睡眠期佔到了20％。這一事實推翻了以往被人們普遍接受的睡眠是由於大腦活動停止而形成的觀點。其它的證據也都證實，大腦在睡眠期會一直處於活躍狀態。最早由Seymour S. Kety以及繼他之後的Sokolov開展的腦血流量(CBF)研究表明，在睡眠狀態下，大腦的腦血流量只減少了20％。在睡眠狀態下，人們發現有多少腦神經元細胞活性降低，就幾乎會有同等數量的腦神經元細胞神經衝動頻率(firing rate)增加。鑑於血流量與腦神經元細胞的活性相關，所以出現上述這種現象也就不奇怪了。即使是在意識完全消失的NREM睡眠期，大腦還是保持著一定的活躍程度的。
在進行睡眠研究工作的實驗室所做的早期工作中，研究人員使用腦成像(brain imaging)和數量化腦電圖(EEG)等技術對睡眠開展了描述性研究(descriptive study)，並獲得了豐碩的成果。成像技術發現，在兩種EEG啟用狀態下，即REM睡眠期和覺醒狀態，大腦中區域性區域的活躍程度差別非常明顯，而且這兩種狀態下的大腦活躍程度都與NREM睡眠期，此時EEG顯示高電壓慢波而不是低電壓快波，的大腦活躍程度不同。數量化腦電圖分析還發現大腦區域間的電活動也不相同。
這些新的研究資料顯示，大腦在NREM睡眠期，此時的腦電波主要由紡錘波和高電壓慢波組成,處於相對靜止的狀態。但是，需要強調的是，這種大腦整體的靜止狀態只是相對的。雖然此時意識比較遲鈍，但大腦還是有大約80％的活躍程度，而且還具有精細的資訊處理能力。因此，腦電波睡眠紡錘波和慢波代表了大腦皮質區(cortical)和丘腦區(thalamic)電活動興奮性的改變，不能主觀認為這些波是“噪聲”，它們也是大腦行使某些功能需要使用到的一種訊號。
1、睡眠的機制和功能
總的來說，所有的研究成果都支援兩種觀點。第一種觀點認為，睡眠是一種大腦主動控制的過程，而不是非覺醒狀態下的被動結果;另一種觀點認為，睡眠應該被看做是對大腦神經元活動的重組而不是活動的停止。按照第一種觀點，很明顯，雖然哺乳動物的睡眠發生在晝夜節律中的休息時間，但事實上還是受下丘腦(hypothalamus)和腦幹主動控制的結果。正是在這樣的前提下，Saper最近對睡眠開關(具體內容參見 “下丘腦對人體睡眠和晝夜節律的調控機制研究”)的描述才獲得廣泛的接受和讚譽。
幾乎所有被人們研究過的哺乳動物在睡眠過程中都呈現NREM-REM交替的現象，這說明睡眠不僅是一個普遍的機制，它的作用也絕不只是想象中的節省能量這麼簡單。研究發現，睡眠具有連續、精細的調控機制，這進一步提示我們，睡眠一定具有更多的功能。比如最近發現的睡眠具有控制機體能量穩定以及加強學習能力的作用。這也讓人們回想起Stickgold的觀點：睡眠能夠增強程式學習能力(具體內容參見“睡眠依賴性記憶鞏固過程”)。
現在，科研界對睡眠和學習能力研究領域又重新燃起了熱情。這主要是由於研究人員在陸棲哺乳動物中觀察到，睡眠能夠幫助這些動物強化所學習到的運動技能。有一些動物即使非常缺乏睡眠，仍然能夠學習，但這並不意味著人們發現的睡眠與學習能力提高之間的聯絡不存在。普遍的現象是，如果可以，大部分動物都會利用睡眠來幫助學習。要闡明睡眠如何幫助(或者不幫助)敘述性記憶(narrative memory)這個問題，還有一個更棘手的困難需要解決，這需要進行更加精巧的實驗設計和辛苦的工作才能做到。接下來需要考慮的問題是，如果記憶指的是對學習過的東西進行有意識的回憶和整理，那麼我們就可以討論睡眠對記憶的幫助問題了。按照上述定義，記憶依賴於學習，但絕不等同於學習。
對各個物種之間以及同一物種不同年齡段之間的睡眠差異進行深入研究表明，睡眠具有多種功能。在各個物種間，這些功能各異，甚至某個物種缺失某個功能。同樣的功能也可能會在覺醒狀態下的不同階段實現，但這並非說明睡眠不起作用，只能說明睡眠時間相對少一些的物種必定還有其它的渠道來滿足這方面的要求，這種“可塑性”很明顯具有多重作用。大腦有很多功能與機制都與睡眠有關。正是這種觀點啟發並支援了Siegel的系統發生研究(具體內容參見“哺乳動物睡眠功能探祕”)。
人們對睡眠系統發生的研究已經開展很長一段時間了，而且人們很快就發現，通常只有大腦體積相對較大的恆溫動物才會出現睡眠現象。這與人們通常所認為的只有高等哺乳動物才會有睡眠的觀點是一致的。Allison和Cichetti的研究表明，為了適應不同的生態小環境(ecological niche)，各物種睡眠的次數多少、睡眠深淺以及睡眠時間的分佈也都各有不同。普遍的規律是，獅子一類的大型食肉動物都喜歡露天棲息，在非覓食和交配時間，它們的睡眠時間都比較長，入睡程度也比較深;與此相反，兔子一類的小型食草動物都喜歡穴居，它們的睡眠時間就要短一些，因為它們需要更多的時間來覓食和交配。同時，它們也必須保持覺醒狀態以防被捕食。因此，本研究得出的結論是，如果動物可以睡覺，它們就會睡覺。
對人體睡眠的研究也表明，睡眠具有很大的可變性，因為研究人員發現了很多很複雜的睡眠紊亂型別。如果認為睡眠是一個主動的調控過程，就能夠理解為什麼有的人睡眠時間那麼少，而另一些人又睡的那麼多，還有一些人睡眠時間與普通人不同。這些不同型別的睡眠紊亂導致的功能性結果也是各不相同的。Mahowald和Schenck專門就這些睡眠障礙現象寫過一篇綜述，他們指出，許多睡眠與覺醒狀態分離的情況都會嚴重困擾我們(具體內容參見“睡眠障礙研究進展”)。
有關睡眠的最新科技進展對夢境的相關理論又有什麼影響呢?與Freud對夢境的看法相反(他認為夢就是記憶對白天體驗的一種反應)，最新的研究資料表明，夢境中摻入了大量的記憶片段，這些片段能提前6天預先在夢境中反映出來。然而，等待系統複製(awaiting systematic replication)的發現提示我們，應該以一種寬容的、非批判的態度接受任何有關夢境成因的理論，哪怕這些理論並沒有任何依據。一個很好的證據就是，不論摻入夢境中的事件在時間上延遲多久，夢境中大部分的內容都不能根據日常生活記憶被識別出來。Nielsen的研究主要就是為了探究這些現象背後的祕密(具體內容參見“夢境的記憶源頭是什麼?”)。
2、睡眠與意識
可能現代睡眠科學最為關注的問題之一,意識本質之謎在本文中並沒有提及。 片刻的反應證實，意識是狀態依賴性的。幾個世紀以來，我們一直都錯誤理解了睡眠和大腦的關係，因為我們做出了錯誤的判斷，認為在睡眠狀態下意識是停止的，只有睡醒之後才會再次活躍起來。不過，偶爾出現的夢境推翻了上述理論，但是眾多偉大的科學家，包括Sigmund Freud在內，也都錯誤地認為夢境只有在覺醒過程中才會發生。
雖然在NREM睡眠期的確沒有意識存在，但是它還是會在剛剛入睡時(此時會有做夢一樣的心理活動)和大腦活動一起發生改變。這種活動發生在NREM睡眠期入睡比較淺的階段和夢境持續時間更長，更明顯的REM睡眠期。因為睡眠會給記憶帶來很大的影響，因此很難準確可靠地描述出睡眠時的心理活動狀態。但現在我們瞭解到，人在睡眠狀態下，意識會隨著大腦在不同睡眠階段發生相應的變化。
這更加支援了意識狀態假說。該假說認為，人們的意識狀態會像大腦功能在睡眠-覺醒週期中的變化一樣，以一種模板式的架構發生改變。有一種研究意識的方法是同時記錄大腦的改變和想法的改變，然後再仔細分析它們之間的聯絡。那麼，大腦活動如何調節意識呢?直接研究睡眠過程中的主觀體驗是目前正開展得如火如荼的意識研究領域中非常重要的一個方法。不過，這種主觀體驗的研究方法還存在很多問題，即使是最勇敢的科學家也都因此而沮喪過。而且還需要注意，個人的主觀意見根本不能用來作為研究材料，除非花很大的精力對這些主觀資料進行篩查、過濾。
普通的志願者會被要求報告他們在非常清醒狀態、清醒狀態、剛剛入睡狀態、NREM睡眠期和REM睡眠期的心理活動情況。研究人員根據志願者對幻覺、思考以及與當時大腦之間相互關係的描述情況進行評分。在非常清醒狀態下出現幻覺的情況是最少見的，而在REM睡眠期出現幻覺的情況是最多見的。與此相反，在清醒狀態下出現思考活動的情況最多，而在REM睡眠期出現思考活動的情況最少。
這些現象說明，入睡之後的大腦既能夠產生知覺，也能進行思考。不過，它不能同時進行這兩項工作。從這個意義上來說，夢境就和那些被稱作精神疾病的幻覺與妄想一樣。
在另一項研究中研究人員檢驗了這個假說。他們對精神分裂患者進行主題統覺測驗(TAT)，這些患者在評價認知不連續性和不一致性方面都取得了高分。與這些患者同年齡及同性別的正常對照組人群具有同樣怪異的夢境，但是在覺醒狀態下對照組這種怪異描述的情況就要少得多。
這些發現支援了有關REM睡眠期的假說，即REM睡眠期是大腦的一種生理狀態，它能形成獨特的精神病樣的心理活動。不過，在覺醒狀態下大腦的這種功能是被抑制的。換句話來說，覺醒狀態下的大腦都沒有正常的做夢活動。反過來，正常的夢境可以被認為是大腦和心理高度不正常條件下的一種正常反應。現在我們已經很清楚，意識就是大腦的一種功能。
睡眠與大腦研究是生物科學和心理科學研究領域之間非常少見的一個聚合點。現在在該方向正在進行的研究將有望連線分子細胞生物學和行為意識科學，甚至能夠幫助人們治療身心疾病。
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