圖片來(lái)源：Pixabay

經(jīng)過(guò)層層闖關(guān)，科學(xué)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，睡覺(jué)時(shí)，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(zhǎng)期存儲(chǔ)在神經(jīng)回路中。這已經(jīng)有了鼠類(lèi)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)：當(dāng)小鼠在迷宮內(nèi)找到出路時(shí)，其神經(jīng)元會(huì)有明確的放電模式，當(dāng)其入睡后，科學(xué)家觀察到這個(gè)放電模式在小鼠的大腦中重播。

科學(xué)家推測(cè)，這正是大腦將短期記憶轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)期記憶的模式。于是人們想知道，人腦是否也是遵循了這個(gè)模式？然而這個(gè)推測(cè)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(zhǎng)期植入大量電極來(lái)做研究是不合倫理的。

如今機(jī)會(huì)來(lái)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(hào)，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(guó)麻省總醫(yī)院的悉尼·卡什（Sydney Cash）博士抓住了這個(gè)好機(jī)會(huì)。

受試者是一名36歲、四肢癱瘓的男子，已經(jīng)癱瘓長(zhǎng)達(dá)11年。科學(xué)家對(duì)其進(jìn)行的腦機(jī)接口研究本來(lái)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(zhǎng)時(shí)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(yàn)對(duì)象。

這是一套專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的設(shè)備，2個(gè)96通道微電極陣列需要長(zhǎng)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(jí)運(yùn)動(dòng)皮層所在地。設(shè)備可以讓受試者通過(guò)意念控制屏幕上的光標(biāo)，進(jìn)行規(guī)則簡(jiǎn)單的西蒙游戲（Simon Game）：玩家按照機(jī)器示范依次點(diǎn)擊亮起的彩色發(fā)光按鈕，這考驗(yàn)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(lái)源：Daniel B. Rubin et al., 2022)

因?yàn)橛心X機(jī)接口的輔助，當(dāng)受試者看到彩燈亮起，植入在運(yùn)動(dòng)皮層的傳感器就會(huì)接受到他移動(dòng)手部意愿的神經(jīng)元放電信號(hào)，這些信號(hào)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，于是他就能用意念控制光標(biāo)來(lái)點(diǎn)擊按鈕。

驚喜來(lái)了。在經(jīng)過(guò)每周2次、每次數(shù)小時(shí)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(hào)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(shí)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(dòng)睡眠（NREM，也稱(chēng)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(hào)的1到4倍，也就是說(shuō)，回放是加速的。而快速動(dòng)眼睡眠（簡(jiǎn)稱(chēng)REM）階段則很少有回放發(fā)生，這個(gè)階段與做夢(mèng)密切相關(guān)。

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

謎題千年

讓我們回到問(wèn)題原點(diǎn)：人類(lèi)為什么要有睡眠？從生物本能來(lái)看，睡眠可能是反進(jìn)化的。因?yàn)樵谒瘔?mèng)中，人的對(duì)外界警覺(jué)和自衛(wèi)能力會(huì)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(duì)生存來(lái)說(shuō)至關(guān)重要的功能。

科學(xué)家提出了各種假說(shuō)，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(shí)到，人在清醒狀態(tài)時(shí)也可以實(shí)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(diǎn)錨定在了睡眠與大腦功能的關(guān)系，比如消除自由基對(duì)大腦的傷害，以及補(bǔ)充大腦運(yùn)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(guò)研究提出，大腦中過(guò)度的DNA損傷會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)，而睡眠則可以喚醒DNA修復(fù)系統(tǒng)。

不過(guò)，人們關(guān)注的重點(diǎn)還是睡眠與記憶的關(guān)系，因?yàn)?/span>睡眠時(shí)大腦無(wú)需處理巨量的外部信息，那么就成了記憶鞏固的最佳時(shí)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(huì)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(shí)候的學(xué)習(xí)，對(duì)知識(shí)的記憶會(huì)更強(qiáng)。

最初科學(xué)家認(rèn)為睡眠是通過(guò)屏蔽干擾信號(hào)來(lái)增強(qiáng)記憶的，這是一種被動(dòng)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(jì)算機(jī)視覺(jué)之父、計(jì)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(shuō)。假設(shè)記憶最初被編碼到一個(gè)快速學(xué)習(xí)存儲(chǔ)區(qū)（即海馬體），然后逐漸轉(zhuǎn)移到一個(gè)慢速學(xué)習(xí)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)期存儲(chǔ)（即新皮質(zhì)）。海馬體的存儲(chǔ)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(guò)睡眠的重播回放來(lái)反復(fù)激活，才能將信息編碼為長(zhǎng)期記憶信息。

人們這時(shí)候普遍認(rèn)為，清醒的大腦是用來(lái)編碼記憶的，睡眠時(shí)大腦則忙于優(yōu)化記憶鞏固，將短期記憶轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)期記憶。這些假說(shuō)并非定論，需要實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

謎題追問(wèn)

人類(lèi)睡眠由2個(gè)核心的睡眠階段組成，即NREM和REM，它們會(huì)循環(huán)交替出現(xiàn)。在一個(gè)睡眠周期中，NREM在早期占主導(dǎo)地位，并且在整個(gè)睡眠期間強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間都在降低，而REM會(huì)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(gè)階段與做夢(mèng)關(guān)系密切。大量動(dòng)物（大鼠、小鼠和貓）實(shí)驗(yàn)證明，在接受各種學(xué)習(xí)任務(wù)后，動(dòng)物的REM會(huì)增加，并且相比于貧乏的環(huán)境，在豐富環(huán)境中生活的動(dòng)物，睡覺(jué)時(shí)REM會(huì)更頻繁出現(xiàn)。

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

最近人們更關(guān)注NREM對(duì)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(guó)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在NREM期間，負(fù)責(zé)短期記憶轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)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(shí)間和空間分辨率非常低。

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)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(lái)幫助解決睡前遇到的難題。不過(guò)，重播回放不僅僅發(fā)生在睡夢(mèng)期間，清醒時(shí)一樣會(huì)有。

需要追問(wèn)的問(wèn)題還有很多。比如，睡眠會(huì)選擇性記憶嗎？有研究稱(chēng)，只有當(dāng)受試者在睡前知道他們將在次日接受測(cè)試時(shí)，睡眠才能提高對(duì)無(wú)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(xiàng)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(duì)老年受試者的影響有限。

只是，對(duì)于這個(gè)千古謎題，精確的結(jié)論還需大樣本研究以及更多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)展，需要科學(xué)家通過(guò)研究不斷地接力下去。如今的顱內(nèi)腦電記錄顯然是一個(gè)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)。