睡觉是为了学习
脑机接口新发现！原来人真的能在睡梦中学习_IT新闻_博客园 (cnblogs.com)
我们为什么要睡觉？这个我们从小就好奇的问题却难坏了神经科学家。
撰文 | 孙滔
审校 | 二七、clefable
经过层层闯关，科学家已经认识到，睡觉时，大脑神经元回放（重播）白天的经历，是记忆得到巩固的本质，如此就可将记忆长期存储在神经回路中。这已经有了鼠类的实验证据：当小鼠在迷宫内找到出路时，其神经元会有明确的放电模式，当其入睡后，科学家观察到这个放电模式在小鼠的大脑中重播。
科学家推测，这正是大脑将短期记忆转换为长期记忆的模式。于是人们想知道，人脑是否也是遵循了这个模式？然而这个推测却一直缺少直接证据，一方面是技术不足，另一方面，在正常人的大脑中长期植入大量电极来做研究是不合伦理的。
如今机会来了。随着脑机接口技术的革新，科学家现在可以获得人入睡后一整晚的脑皮层放电信号，向着记忆的真相迈出了一大步。相关论文发表在 2022 年 6 月的《神经科学杂志》（Journal of Neuroscience）上。
精确证明
美国麻省总医院的悉尼·卡什（Sydney Cash）博士抓住了这个好机会。
受试者是一名 36 岁、四肢瘫痪的男子，已经瘫痪长达 11 年。科学家对其进行的脑机接口研究本来是为了完善脑机接口设备，让他更好地学习控制四肢。这套设备是入侵式的，且需长时间植入到大脑皮层中，所以瘫痪患者也成了适合睡眠研究的试验对象。
这是一套专门开发的设备，2 个 96 通道微电极阵列需要长期放置在受试者的左中央前回（left precentral gyrus），这是人脑额叶后部的初级运动皮层所在地。设备可以让受试者通过意念控制屏幕上的光标，进行规则简单的西蒙游戏（Simon Game）：玩家按照机器示范依次点击亮起的彩色发光按钮，这考验的是人的短期记忆能力和反应速度。
图：从受试者大脑的三维重建图。蓝色区域是左中央前回。绿色和蓝色方块代表微电极阵列的精确位置。（图片来源：Daniel B. Rubin et al.， 2022)
因为有脑机接口的辅助，当受试者看到彩灯亮起，植入在运动皮层的传感器就会接受到他移动手部意愿的神经元放电信号，这些信号无线传输到计算机，于是他就能用意念控制光标来点击按钮。
惊喜来了。在经过每周 2 次、每次数小时的连续游玩后，研究人员分析其睡眠中的神经元放电信号后发现，这名男子睡眠期间的神经元放电模式与他前一天游戏时大脑中的放电模式完全匹配。
研究人员还发现，这些重播回放大部分发生在非快速眼动睡眠（NREM，也称为慢波睡眠）阶段，也就是深度睡眠阶段，且回放速度为初始神经信号的 1 到 4 倍，也就是说，回放是加速的。而快速动眼睡眠（简称 REM）阶段则很少有回放发生，这个阶段与做梦密切相关。
一个明显的改变是，在次日早上重复西蒙游戏任务时，男子会表现得更好。项目负责人悉尼·卡什称，该研究可能有助于解释个人如何记住事物和掌握新技能。
谜题千年
让我们回到问题原点：人类为什么要有睡眠？从生物本能来看，睡眠可能是反进化的。因为在睡梦中，人的对外界警觉和自卫能力会大幅度下降，几乎威胁到了生存，那么睡眠能一直存在，必然有着对生存来说至关重要的功能。
科学家提出了各种假说，包括节省能量，修复组织，调节体温、代谢和免疫等等。但人们很快意识到，人在清醒状态时也可以实现这些功能，所以这些可能并非是睡眠特有的好处。所以科学家将重点锚定在了睡眠与大脑功能的关系，比如消除自由基对大脑的伤害，以及补充大脑运行所消耗的能量等。
另一种猜想是睡眠能修复损伤的 DNA。最近，科学家通过研究提出，大脑中过度的 DNA 损伤会带来危险，而睡眠则可以唤醒 DNA 修复系统。
不过，人们关注的重点还是睡眠与记忆的关系，因为睡眠时大脑无需处理巨量的外部信息，那么就成了记忆巩固的最佳时间窗口。
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研究证据有不少。其一是剥夺一夜睡眠会显著降低人的记忆力，其二是晚上入睡前学习比白日清醒时候的学习，对知识的记忆会更强。
最初科学家认为睡眠是通过屏蔽干扰信号来增强记忆的，这是一种被动的记忆模式，如今则认为在睡眠中记忆得到了系统的整合。
1971 年，计算机视觉之父、计算神经科学的创始人大卫·马尔（David Marr）提出了两阶段记忆假说。假设记忆最初被编码到一个快速学习存储区（即海马体），然后逐渐转移到一个慢速学习存储区进行长期存储（即新皮质）。海马体的存储快速有效，但不能稳定持久，容易受到新编码信息的干扰，那么通过睡眠的重播回放来反复激活，才能将信息编码为长期记忆信息。
人们这时候普遍认为，清醒的大脑是用来编码记忆的，睡眠时大脑则忙于优化记忆巩固，将短期记忆转化为长期记忆。这些假说并非定论，需要实验的进一步验证。
谜题追问
人类睡眠由 2 个核心的睡眠阶段组成，即 NREM 和 REM，它们会循环交替出现。在一个睡眠周期中，NREM 在早期占主导地位，并且在整个睡眠期间强度和持续时间都在降低，而 REM 会出现在睡眠周期的后期。
更早的记忆研究集中在 REM 期，这个阶段与做梦关系密切。大量动物（大鼠、小鼠和猫）实验证明，在接受各种学习任务后，动物的 REM 会增加，并且相比于贫乏的环境，在丰富环境中生活的动物，睡觉时 REM 会更频繁出现。
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随着认识深入，REM 有助于记忆存储的观点受到质疑。至少有 2 方面的证据，其一是物种之间 REM 时间存在巨大差异，例如，雪貂每天的 REM 睡眠时间超过 6 小时，而人类只有 2 小时。第二个更关键的问题是，即使完全没有任何 REM，例如一些患者在使用抗抑郁药治疗期间，也不会有任何明显的记忆障碍。
最近人们更关注 NREM 对记忆巩固的重要性。
最为经典的是有关气味诱导记忆的研究。德国学者发现，在 NREM 期间，负责短期记忆转化为长期记忆的海马体被重新激活，从而触发了与气味相关内容的记忆。这些发现有功能性核磁共振成像的证据，只是这些脑成像的时间和空间分辨率非常低。
进一步的实验表明，睡眠期间气味引起的神经元重新激活甚至可以诱导产生更具创造性的想法，来帮助解决睡前遇到的难题。不过，重播回放不仅仅发生在睡梦期间，清醒时一样会有。
需要追问的问题还有很多。比如，睡眠会选择性记忆吗？有研究称，只有当受试者在睡前知道他们将在次日接受测试时，睡眠才能提高对无意义单词的记忆。
再比如，睡眠的记忆益处是否是普适的？一项与年龄相关的荟萃分析揭示，睡眠让年轻人的记忆受益颇多，而对老年受试者的影响有限。
只是，对于这个千古谜题，精确的结论还需大样本研究以及更多实验项目开展，需要科学家通过研究不断地接力下去。如今的颅内脑电记录显然是一个值得优先考虑的研究手段，神经科学家们任重道远。
相关论文：Learned Motor Patterns Are Replayed in Human Motor Cortex during Sleep
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