你睡覺時大腦真在自動學習！首個人體實驗證據(jù)來了：加速1-4倍重放，深度睡眠階段效果最好

夢晨 2022-06-26 14:02:54 來源：量子位

夢晨 發(fā)自 凹非寺
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睡前隨便看了幾頁書或幾個單詞，一覺醒來發(fā)現(xiàn)居然印象很深刻。

不知道你是否有過類似經(jīng)歷？

科學家們一直都想好好研究一下這個現(xiàn)象，但此前一直受到技術(shù)條件限制，難以在夜間采集人類腦內(nèi)較弱的神經(jīng)活動信號。

隨著最近腦機接口數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，機會終于來了。

在志愿者參與的實驗中，研究人員首次獲得了睡眠中人類大腦運動皮層“重放”白天活動的直接證據(jù)。

論文一作、哈佛醫(yī)學院的Daniel Rubin表示：

我們的發(fā)現(xiàn)非常不可思議，他(志愿者)基本上是在睡覺時自動練習了一整夜。

相關(guān)論文已發(fā)表在神經(jīng)科學領(lǐng)域知名期刊The Journal of Neuroscience上。

大腦在你睡覺時加速學習

這位志愿者代號T11，不幸因脊髓損傷而四肢癱瘓。

他植入了BrainGate項目組的侵入式腦機接口電極，和去年參與意念打字研究的T5老爺子用的是同一套設(shè)備。

在這次實驗中，T11白天需要玩一個簡單的電子游戲：

先觀察彩色區(qū)域亮起的順序，稍后根據(jù)回憶控制光標按順序移動。

這是腦機接口研究中的一個經(jīng)典任務(wù)，其中的神經(jīng)活動的模式比較容易捕捉和識別，此前也多次出現(xiàn)在相關(guān)研究中。

連續(xù)十天，T11需要在下午13:45-16:00做訓練，晚上23點睡到第二天早上9點。

在訓練時，腦機接口可以實時解碼并記錄他大腦運動皮層的神經(jīng)活動。

T11并未被告知這個實驗的具體內(nèi)容，只當是像往常一樣做恢復訓練，晚上像往常一樣入睡。

但在這十天里，研究人員把他睡覺時腦機接口記錄的數(shù)據(jù)與白天的數(shù)據(jù)做比對。

用卡爾曼濾波等手段處理數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，夜間神經(jīng)元會以比預期更高的頻率間隔重放白天的訓練內(nèi)容。

T11睡眠時神經(jīng)元的放電模式與白天訓練時高度吻合，甚至有幾次是完全一致的。

△凌晨0:50開始的數(shù)據(jù)以及可視化演示

這種現(xiàn)象學名叫做離線重放?（offline replay），此前已在小鼠和人類白天休息時得到驗證。

而人類睡眠過程中的重放還是首次被觀測到。

并且數(shù)據(jù)顯示，夜間重放的速度要比白天時要快上1-4倍。

也就是說在你睡大覺的時候，你的腦子不光在自動學習白天學到的內(nèi)容，還是加速學習。

而這一切你自己卻完全不知情。

任務(wù)越難，大腦越活躍

之前也有一系列研究，分別驗證了小鼠睡眠中海馬體和新皮層的神經(jīng)活動可以練習走迷宮。

以及人類白天休息時類似的離線重放現(xiàn)象等。

將這些發(fā)現(xiàn)與實驗結(jié)果結(jié)合后，研究人員提出一種觀點：

重放學習可能是跨越大腦多個區(qū)域的保留機制，包括語義、導航以及運動控制系統(tǒng)。并進一步支持了睡眠在記憶鞏固中的作用。

除此之外，這項研究還驗證了之前的幾個重要發(fā)現(xiàn)：

第一，重放發(fā)生的時間主要在生物學意義上的慢波睡眠（Slow-wave Sleep），更常見的叫法是非快速眼動階段（Non-REM Stage），或者叫深度睡眠。

第二，重放活動與海馬體引起的尖波漣漪（Sharp Wave Ripple）高度相關(guān)。

尖波漣漪是神經(jīng)元同步活動的快速爆發(fā)，會形成一種高頻震蕩。

△重放與尖波漣漪的關(guān)系

第三，白天練習的任務(wù)越難，睡覺時重放活動越強烈。

在未來計劃中，BrainGate聯(lián)盟的研究團隊打算系統(tǒng)性地改變?nèi)蝿?wù)難度，進行更深入的研究。

BrainGate聯(lián)盟由臨床醫(yī)生、神經(jīng)科學家和布朗大學、哈佛醫(yī)學院、麻省總醫(yī)院等機構(gòu)聯(lián)合發(fā)起，目標是用腦機接口技術(shù)幫助因神經(jīng)疾病或損傷喪失肢體行動能力的患者。

One More Thing

既然深度睡眠階段大腦在鞏固記憶，那么在快速眼動期（也就是做夢最多的那個階段），大腦又在做什么？

此前Science上一篇論文解釋了這一點。

快速眼動期，海馬體中負責分泌黑色素聚集激素的MCH神經(jīng)元會幫助大腦主動遺忘不重要的信息。

由于做夢主要發(fā)生快速眼動期，此時MCH神經(jīng)元活躍，這也是為什么夢的內(nèi)容醒來后會被忘記的原因之一。

那么，你是否有過一覺醒來，把前一天看過的內(nèi)容都記住了這種經(jīng)歷呢？

論文地址：
https://www.jneurosci.org/content/42/25/5007

參考鏈接：
[1]https://neurosciencenews.com/motor-replay-sleep-20906/
[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.aba0672
[3]https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rstb.2019.0655
[4]https://www.science.org/doi/10.1126/science.aax9238