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睡眠时上演的“离线重播”秘密,脑机接口告诉你

关于大脑记忆的谜团在科学的研究下不断被拆解且公之于众,脑机接口又迎新发现,人脑睡眠时“离线重播”的直接证据终于找到了。

|陈根

近年来,睡眠与记忆的关系一直是科学家们作为探究大脑机制的一个重要突破口,要想知道睡眠与记忆的关系,我们就需要先了解记忆最初产生于大脑的机制:

“赫布型学习“或“赫布法则“认为,持续地重复刺激会增加突触传递的效能,也就是“复述“或“熟能生巧”的原理。因此白天的学习就是通过建立突触连接进而形成记忆。

而当大脑进入睡眠时,会交替进入两个阶段:非快速眼动睡眠期和快速眼动睡眠期。研究发现,这两个阶段都会对记忆的巩固做出贡献。目前的结果表明,不同的学习任务或学习内容会产生不同的记忆,而大脑可能也会在不同的睡眠阶段编码不同种类的信息。

而随着科技浪潮的迭起,科学家们对记忆与睡眠的研究也在不断深入,近日,脑机接口就睡眠中大脑的重放机制有了新的研究正据,5 月 5 日,《细胞·报告》期刊在线发表了该团队题为“睡眠时人类大脑运动皮层习得神经激发序列的重放”的论文。

大脑作为人体神经系统的最高级部分,左右两个大脑半球表面都有着一层灰质,也就是我们常说的“大脑皮层”,它是人类高级神经活动的物质基础。

入睡后,我们的大脑会进入离线状态,开启 Replay 模式,重现清醒时的经历,记忆便得以巩固。此前科学家们曾在动物身上观察到这种现象。在一项脑机接口的试点临床试验中,一组科研人员首次在 2 名人类参与者的大脑运动皮层中观察到了习得神经激发序列的重放过程。

在大脑皮层中,有一块参与计划、控制和执行自主运动的区域,也就是“运动皮层”。上述研究团队以运动皮层为切入点,在参与者的大脑中各长期放置了两个硅微电极阵列。

实验展示了大脑的神经元在睡眠时如何激发以“重放”我们的短期记忆,从而将它们变为更长久的记忆。这也是第一个允许在人类大脑中进行如此详细的神经记录的电极阵列。

具体来讲,研究小组让两名参与者参与了一个“序列复制游戏”(sequence-copying game),这个游戏类似于八十年代的一款名为《西蒙》(REPEAT)的记忆游戏,游戏视频中有四个彩色板块,按不同的顺序点亮,玩家需要重复特定的顺序,再次点亮色块。

而试验中这一游戏的特别之处就在于,两位参与者均为四肢瘫痪,目前需要依靠呼吸机生活,但仍可以说话。游戏不需要参与者移动手臂,只需用他们的思维来想象他们在用手控制光标快速移动,又快又准地按记忆的顺序击中正确的色块。

据悉,研究人员要求参与者在玩游戏(约 20 分钟)的前后都小睡一会儿(各 20-30 分钟),在休息-玩游戏-休息的过程中,研究人员便通过 BrainGate2 传感器记录下了参与者大脑中大量神经元的峰值活动。

试验表明,从游戏前休息到游戏后休息,重复序列相关性比控制序列相关性增加得要多;同时游戏时和游戏后休息期间参与者大脑的神经元放电模式相同。正如 Beata Jarosiewicz 所说:这是第一个直接证明人类在睡眠中大脑会回放清醒时的学习的证据,这可能有助于巩固记忆。

这些发现也为那些想要了解重放使记忆巩固的潜在机制的研究人员提供了更多的问题和未来的研究课题。在未来,随着脑机接口技术的不断发现和完善,关于人类大脑的记忆谜团将不断解开。

不久的将来,人类大脑的读写都将会成为一件平常的事情。

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