你睡覺時大腦真在自動學習！首個人類實驗證據：加速1-4倍重播

睡前隨便看了幾頁書或幾個單字，一覺醒來發現居然印像很深刻。

不知道你是否有過類似經驗？

科學家一直都想好好研究這個現象，但先前一直受到技術條件限制，難以在夜間採集人類腦內較弱的神經活動訊號。

隨著最近腦機介面資料無線傳輸技術的發展，機會終於來了。

在志願者參與的實驗中，研究人員首次獲得了睡眠中人類大腦運動皮質「重播」白天活動的直接證據。

論文一作、哈佛醫學院的Daniel Rubin表示：

我們的發現非常不可思議，他(志工)基本上是在睡覺時自動練習了一整夜。

相關論文已發表在神經科學領域知名期刊The Journal of Neuroscience。

大腦在你睡覺時加速學習

這位志願者代號T11，不幸因脊髓損傷而四肢癱瘓。

他植入了BrainGate專案組的侵入式腦機介面電極，和去年參與意念打字研究的T5老爺子用的是同一套裝置。

在這次實驗中，T11白天需要玩一個簡單的電子遊戲：

先觀察彩色區域亮起的順序，稍後根據回憶控制遊標按順序移動。

這是腦機介面研究中的經典任務，其中的神經活動的模式比較容易捕捉和識別，先前也多次出現在相關研究中。

連續十天，T11需要在下午13:45-16:00做訓練，晚上23點睡到隔天早上9點。

在訓練時，腦機介面可以即時解碼並記錄他大腦運動皮質的神經活動。

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

但在這十天裡，研究人員把他睡覺時腦機介面記錄的數據與白天的數據做比對。

用卡爾曼濾波等手段處理資料後發現，夜間神經元會以比預期更高的頻率間隔重播白天的訓練內容。

T11睡眠時神經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開始的資料以及視覺化示範

這種現象學名叫做離線重播 （offline replay），先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播還是首次被觀測到。

且數據顯示，夜間重播的速度要比白天時快上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容，還是加速學習。

而這一切你自己卻完全不知情。

任務越難，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質的神經活動可以練習走迷宮。

以及人類白天休息時類似的離線重播現像等。

將這些發現與實驗結果結合後，研究人員提出一種觀點：

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

除此之外，這項研究也驗證了先前的幾個重要發現：

第一，重播發生的時間主要在生物學意義上的慢波睡眠（Slow -wave Sleep），較常見的叫法是非快速動眼階段（Non-REM Stage），或稱為深度睡眠。

第二，重播活動與海馬體引起的尖波漣漪（Sharp Wave Ripple）有高度相關。

尖波漣漪是神經元同步活動的快速爆發，會形成一種高頻震盪。

△重播與尖波漣漪的關係

第三，白天練習的任務越難，睡覺時重播活動越強烈。

在未來計畫中，BrainGate聯盟的研究團隊打算系統性地改變任務難度，進行更深入的研究。

BrainGate聯盟由臨床醫生、神經科學家和布朗大學、哈佛醫學院、麻省總醫院等機構共同發起，目標是用腦機介面技術幫助因神經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，那麼在快速動眼期（也就是做夢最多的那個階段），大腦又在做什麼？

先前Science上一篇論文解釋了這一點。

快速動眼期，海馬體中負責分泌黑色素聚集激素的MCH神經元會幫助大腦主動遺忘不重要的訊息。

由於做夢主要發生快速動眼期，此時MCH神經元活躍，這也是為什麼夢的內容醒來後會被忘記的原因之一。

那麼，你有沒有過一覺醒來，把前一天看過的內容都記住了這種經驗呢？

論文網址：https://www.jneurosci.org/content/42/25/5007

參考連結：

[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

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