学术经纬睡觉也是在学习？科学家首次直接证明，睡觉时大脑“回放”学习内容

▎药明康德内容团队编辑
睡觉时，我们的大脑并非处于简单的“脱机”状态，而是在忙着巩固新形成的记忆。近日发表在《细胞》旗下知名学术期刊Cell Reports的一项研究中，科学家们借助先进的脑机接口（brain-computer interface）技术，观察到了受试者睡眠时大脑“记忆重现”的过程。研究人员表示，这是第一次有直接的证据表明，人脑在睡眠时会回放清醒时的经历。
研究记忆的科学家们过去通过动物实验观察到，清醒时的神经放电模式会在动物睡眠时“脱机回放” ，这一过程被认为是记忆巩固的潜在基础，让新获得的记忆变得持久。而在人类中，一些神经影像学研究则提供了间接的证据，显示睡眠期间与学习有关的大脑活动会被重新激活。
随着技术变革，前沿的脑机接口技术现在给了我们一个机会，真正检验人类大脑在清醒和睡眠时发生了什么。一些科研团队致力于开发能长期植入人脑中的电极，让计算机实时“解码”神经信号，识别大脑移动肢体的意图，从而实现用意念操作计算机光标、机械臂等外部辅助设备。这类脑机接口将帮助一些因疾病或外伤（比如中风、脊髓损伤、肌萎缩性脊髓侧索硬化症）而有严重运动障碍的人提高生活质量。

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图片来源：123RF
参与这项研究的2名受试者在脑机接口试点临床试验中，在大脑运动皮层植入了特制的微电极阵列。每个电极足够小，能够详细记录单个神经元的放电活动。
研究人员让受试者玩了一个记忆测试游戏。游戏的基本规则是，屏幕上的四个色块以不同顺序变亮，然后让玩家以同样的顺序点击。不过，受试者并不真的移动手指，而是用“意念”来玩，想象自己的手在移动光标，以尽可能快的速度按顺序点击正确的色块。玩了一会儿以后，受试者会小睡二三十分钟。醒来继续玩，然后再次睡觉休息。
▲ 受试者玩游戏时的视频（视频来源：参考资料[1]）
在分析电极采集到的神经信号后，研究小组观察到，在游戏时间和游戏后睡觉休息时间，受试者的这些大脑神经元具有相同的放电模式。换句话说，这就好像受试者在睡着后，大脑继续在玩刚才的记忆测试游戏，在神经元的层面进行了回放。
“这是第一个直接证据，证明我们也可以看到人类在学习后的休息期间有帮助巩固记忆的回放现象。 ” 该研究的共同第一作者Beata Jarosiewicz博士说， “我们在动物身上研究了几十年与回放有关的记忆巩固机制，看来很可能也适用于人类。 ”

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▲ 本研究示意图（图片来源：参考资料[1]）
下一步，研究人员计划寻找新的实验证据，继续探索回放在记忆巩固过程中是否起到了因果作用，包括测试回放的强度，以及与小睡后的回忆强度之间是否有关联。
学习和记忆巩固究竟如何发生，这些问题一直以来都是令人着迷的难解之谜。不过，一系列动物和人类的研究已经表明，睡眠起着至关重要的作用。用Jarosiewicz博士的话说， “在考试前和重要面试前”睡个好觉，有利于提高认知能力， “我们有充分的科学证据表明，睡眠在这些过程中非常重要。 ”——当然，你最好不要在上课时睡觉。
题图来源：123RF
参考资料：
[1] Jean-Baptiste Eichenlaub et al., (2020) Replay of Learned Neural Firing Sequences during Rest in Human Motor Cortex. Cell Reports. DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107581
[2] Evidence that human brains replay our waking experiences while we sleep. Retrieved May 6, 2020, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-05/cp-eth043020.php