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我們?yōu)槭裁匆X？這個我們從小就好奇的問題卻難壞了神經(jīng)科學(xué)家。

撰文 | 孫滔

審校 | 二七、clefable

經(jīng)過層層闖關(guān)，科學(xué)家已經(jīng)認(rèn)識到，睡覺時，大腦神經(jīng)元回放（重播）白天的經(jīng)歷，是記憶得到鞏固的本質(zhì)，如此就可將記憶長期存儲在神經(jīng)回路中。這已經(jīng)有了鼠類的實驗證據(jù)：當(dāng)小鼠在迷宮內(nèi)找到出路時，其神經(jīng)元會有明確的放電模式，當(dāng)其入睡后，科學(xué)家觀察到這個放電模式在小鼠的大腦中重播。

科學(xué)家推測，這正是大腦將短期記憶轉(zhuǎn)換為長期記憶的模式。于是人們想知道，人腦是否也是遵循了這個模式？然而這個推測卻一直缺少直接證據(jù)，一方面是技術(shù)不足，另一方面，在正常人的大腦中長期植入大量電極來做研究是不合倫理的。

如今機(jī)會來了。隨著腦機(jī)接口技術(shù)的革新，科學(xué)家現(xiàn)在可以獲得人入睡后一整晚的腦皮層放電信號，向著記憶的真相邁出了一大步。相關(guān)論文發(fā)表在 2022 年 6 月的《神經(jīng)科學(xué)雜志》（Journal of Neuroscience）上。

精確證明

美國麻省總醫(yī)院的悉尼 · 卡什（Sydney Cash）博士抓住了這個好機(jī)會。

受試者是一名 36 歲、四肢癱瘓的男子，已經(jīng)癱瘓長達(dá) 11 年。科學(xué)家對其進(jìn)行的腦機(jī)接口研究本來是為了完善腦機(jī)接口設(shè)備，讓他更好地學(xué)習(xí)控制四肢。這套設(shè)備是入侵式的，且需長時間植入到大腦皮層中，所以癱瘓患者也成了適合睡眠研究的試驗對象。

這是一套專門開發(fā)的設(shè)備，2 個 96 通道微電極陣列需要長期放置在受試者的左中央前回（left precentral gyrus），這是人腦額葉后部的初級運動皮層所在地。設(shè)備可以讓受試者通過意念控制屏幕上的光標(biāo)，進(jìn)行規(guī)則簡單的西蒙游戲（Simon Game）：玩家按照機(jī)器示范依次點擊亮起的彩色發(fā)光按鈕，這考驗的是人的短期記憶能力和反應(yīng)速度。

圖：從受試者大腦的三維重建圖。藍(lán)色區(qū)域是左中央前回。綠色和藍(lán)色方塊代表微電極陣列的精確位置。（圖片來源：Daniel B. Rubin et al., 2022 )

因為有腦機(jī)接口的輔助，當(dāng)受試者看到彩燈亮起，植入在運動皮層的傳感器就會接受到他移動手部意愿的神經(jīng)元放電信號，這些信號無線傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，于是他就能用意念控制光標(biāo)來點擊按鈕。

驚喜來了。在經(jīng)過每周 2 次、每次數(shù)小時的連續(xù)游玩后，研究人員分析其睡眠中的神經(jīng)元放電信號后發(fā)現(xiàn)，這名男子睡眠期間的神經(jīng)元放電模式與他前一天游戲時大腦中的放電模式完全匹配。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，這些重播回放大部分發(fā)生在非快速眼動睡眠（NREM，也稱為慢波睡眠）階段，也就是深度睡眠階段，且回放速度為初始神經(jīng)信號的 1 到 4 倍，也就是說，回放是加速的。而快速動眼睡眠（簡稱 REM）階段則很少有回放發(fā)生，這個階段與做夢密切相關(guān)。

一個明顯的改變是，在次日早上重復(fù)西蒙游戲任務(wù)時，男子會表現(xiàn)得更好。項目負(fù)責(zé)人悉尼 · 卡什稱，該研究可能有助于解釋個人如何記住事物和掌握新技能。

謎題千年

讓我們回到問題原點：人類為什么要有睡眠？從生物本能來看，睡眠可能是反進(jìn)化的。因為在睡夢中，人的對外界警覺和自衛(wèi)能力會大幅度下降，幾乎威脅到了生存，那么睡眠能一直存在，必然有著對生存來說至關(guān)重要的功能。

科學(xué)家提出了各種假說，包括節(jié)省能量，修復(fù)組織，調(diào)節(jié)體溫、代謝和免疫等等。但人們很快意識到，人在清醒狀態(tài)時也可以實現(xiàn)這些功能，所以這些可能并非是睡眠特有的好處。所以科學(xué)家將重點錨定在了睡眠與大腦功能的關(guān)系，比如消除自由基對大腦的傷害，以及補(bǔ)充大腦運行所消耗的能量等。

另一種猜想是睡眠能修復(fù)損傷的 DNA。最近，科學(xué)家通過研究提出，大腦中過度的 DNA 損傷會帶來危險，而睡眠則可以喚醒 DNA 修復(fù)系統(tǒng)。

不過，人們關(guān)注的重點還是睡眠與記憶的關(guān)系，因為睡眠時大腦無需處理巨量的外部信息，那么就成了記憶鞏固的最佳時間窗口。

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研究證據(jù)有不少。其一是剝奪一夜睡眠會顯著降低人的記憶力，其二是晚上入睡前學(xué)習(xí)比白日清醒時候的學(xué)習(xí)，對知識的記憶會更強(qiáng)。

最初科學(xué)家認(rèn)為睡眠是通過屏蔽干擾信號來增強(qiáng)記憶的，這是一種被動的記憶模式，如今則認(rèn)為在睡眠中記憶得到了系統(tǒng)的整合。

1971 年，計算機(jī)視覺之父、計算神經(jīng)科學(xué)的創(chuàng)始人大衛(wèi) · 馬爾（David Marr）提出了兩階段記憶假說。假設(shè)記憶最初被編碼到一個快速學(xué)習(xí)存儲區(qū)（即海馬體），然后逐漸轉(zhuǎn)移到一個慢速學(xué)習(xí)存儲區(qū)進(jìn)行長期存儲（即新皮質(zhì)）。海馬體的存儲快速有效，但不能穩(wěn)定持久，容易受到新編碼信息的干擾，那么通過睡眠的重播回放來反復(fù)激活，才能將信息編碼為長期記憶信息。

人們這時候普遍認(rèn)為，清醒的大腦是用來編碼記憶的，睡眠時大腦則忙于優(yōu)化記憶鞏固，將短期記憶轉(zhuǎn)化為長期記憶。這些假說并非定論，需要實驗的進(jìn)一步驗證。

謎題追問

人類睡眠由 2 個核心的睡眠階段組成，即 NREM 和 REM，它們會循環(huán)交替出現(xiàn)。在一個睡眠周期中，NREM 在早期占主導(dǎo)地位，并且在整個睡眠期間強(qiáng)度和持續(xù)時間都在降低，而 REM 會出現(xiàn)在睡眠周期的后期。

更早的記憶研究集中在 REM 期，這個階段與做夢關(guān)系密切。大量動物（大鼠、小鼠和貓）實驗證明，在接受各種學(xué)習(xí)任務(wù)后，動物的 REM 會增加，并且相比于貧乏的環(huán)境，在豐富環(huán)境中生活的動物，睡覺時 REM 會更頻繁出現(xiàn)。

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隨著認(rèn)識深入，REM 有助于記憶存儲的觀點受到質(zhì)疑。至少有 2 方面的證據(jù)，其一是物種之間 REM 時間存在巨大差異，例如，雪貂每天的 REM 睡眠時間超過 6 小時，而人類只有 2 小時。第二個更關(guān)鍵的問題是，即使完全沒有任何 REM，例如一些患者在使用抗抑郁藥治療期間，也不會有任何明顯的記憶障礙。

最近人們更關(guān)注 NREM 對記憶鞏固的重要性。

最為經(jīng)典的是有關(guān)氣味誘導(dǎo)記憶的研究。德國學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在 NREM 期間，負(fù)責(zé)短期記憶轉(zhuǎn)化為長期記憶的海馬體被重新激活，從而觸發(fā)了與氣味相關(guān)內(nèi)容的記憶。這些發(fā)現(xiàn)有功能性核磁共振成像的證據(jù)，只是這些腦成像的時間和空間分辨率非常低。

進(jìn)一步的實驗表明，睡眠期間氣味引起的神經(jīng)元重新激活甚至可以誘導(dǎo)產(chǎn)生更具創(chuàng)造性的想法，來幫助解決睡前遇到的難題。不過，重播回放不僅僅發(fā)生在睡夢期間，清醒時一樣會有。

需要追問的問題還有很多。比如，睡眠會選擇性記憶嗎？有研究稱，只有當(dāng)受試者在睡前知道他們將在次日接受測試時，睡眠才能提高對無意義單詞的記憶。

再比如，睡眠的記憶益處是否是普適的？一項與年齡相關(guān)的薈萃分析揭示，睡眠讓年輕人的記憶受益頗多，而對老年受試者的影響有限。

只是，對于這個千古謎題，精確的結(jié)論還需大樣本研究以及更多實驗項目開展，需要科學(xué)家通過研究不斷地接力下去。如今的顱內(nèi)腦電記錄顯然是一個值得優(yōu)先考慮的研究手段，神經(jīng)科學(xué)家們?nèi)沃氐肋h(yuǎn)。

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