睡眠為何對學(xué)習和記憶如此重要？奧地利科學(xué)技術(shù)研究所（ISTA）的Csicsvari團隊的神經(jīng)科學(xué)家通過(guò)監測大鼠大腦活動(dòng)，提供了這一重要功能的新見(jiàn)解，監測時(shí)間可長(cháng)達20小時(shí)，且是在空間學(xué)習后進(jìn)行的。研究的核心發(fā)現是，睡眠期間神經(jīng)活動(dòng)模式的重組反映了清醒時(shí)的記憶回憶活動(dòng)。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《Neuron》期刊上。

充足的睡眠有助于我們記住最近學(xué)習的信息，將記憶深深“刻印”下來(lái)。這同樣適用于動(dòng)物，例如，記住食物資源的位置對它們的生存至關(guān)重要。研究人員可以通過(guò)訓練實(shí)驗室中的小鼠或大鼠，進(jìn)行各類(lèi)記憶任務(wù)，從而研究睡眠在其中的作用。在這些針對空間學(xué)習的實(shí)驗中，動(dòng)物必須學(xué)習并記住迷宮中食物獎勵的位置。盡管進(jìn)行了大量研究來(lái)理解促進(jìn)學(xué)習、記憶形成和回憶的神經(jīng)機制，但關(guān)于這些基本大腦功能的諸多問(wèn)題仍未得到解答。

現在，Csicsvari教授的研究團隊深入探討了睡眠階段在優(yōu)化記憶回憶中的關(guān)鍵角色。他們通過(guò)無(wú)線(xiàn)測量大鼠在睡眠期間最長(cháng)可達20小時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)模式，顯著(zhù)延長(cháng)了以往研究的測量時(shí)間。“我們的研究表明，在睡眠的早期階段，神經(jīng)元集群反映了最近學(xué)習的空間記憶。然而，隨著(zhù)睡眠的進(jìn)行，神經(jīng)活動(dòng)模式逐漸轉變?yōu)榇笫筇K醒時(shí)回憶起食物獎勵位置所表現的模式，”Csicsvari表示。

描繪和記住獎勵位置

以往的研究指出，海馬體這一皮層腦區在環(huán)境探索、路徑維持（即空間導航）及空間學(xué)習中都發(fā)揮著(zhù)重要作用。海馬體的神經(jīng)元通過(guò)在特定位置發(fā)放信號來(lái)記錄動(dòng)物的位置，從而形成環(huán)境的認知地圖。動(dòng)物利用這張地圖在空間中進(jìn)行導航，同時(shí)在學(xué)習過(guò)程中不斷更新。在此過(guò)程中，獎勵位置起到了重要作用，顯著(zhù)體現在動(dòng)物的認知地圖上。

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圖片信息：Jozsef Csicsvari 教授在奧地利科學(xué)技術(shù)研究所 （ISTA） 的實(shí)驗室

在空間學(xué)習之后，海馬體通過(guò)重新激活最近學(xué)習的記憶痕跡，在睡眠期間增強記憶。Csicsvari教授的團隊此前表明，當特定獎勵位置在睡眠期間被頻繁重新激活時(shí)，動(dòng)物醒來(lái)時(shí)對該位置的記憶效果更佳。相反，當研究團隊阻止特定獎勵記憶的重新激活時(shí)，動(dòng)物則無(wú)法記住相應的位置。

在睡眠中重組神經(jīng)模式以銘刻記憶

之前，研究人員僅能在短暫的兩到四小時(shí)的睡眠中觀(guān)察空間記憶的重新激活，而此次團隊在較長(cháng)的過(guò)夜睡眠期間進(jìn)行了實(shí)驗。通過(guò)無(wú)線(xiàn)記錄，他們在大鼠休息和睡眠后的空間學(xué)習過(guò)程中監測了長(cháng)達20小時(shí)的海馬體神經(jīng)活動(dòng)。

“我們的發(fā)現令人意外。我們展示了與獎勵位置相關(guān)的神經(jīng)元活動(dòng)模式在較長(cháng)的睡眠期間發(fā)生了重組，”該研究的共同第一作者、ISTA的博士生Lars Bollmann表示。確實(shí)，當某一獎勵位置被重新激活時(shí)，并非所有代表該位置的神經(jīng)元在整個(gè)睡眠期間都保持活躍。有些神經(jīng)元確實(shí)呈現活躍狀態(tài)——研究人員稱(chēng)之為“穩定子群體”——但在后期睡眠階段，其他神經(jīng)元則停止發(fā)放信號。與此同時(shí)，一組合新的神經(jīng)元逐漸開(kāi)始發(fā)放。“最令人驚訝的是，我們發(fā)現早期睡眠中發(fā)射的神經(jīng)元活動(dòng)模式與學(xué)習階段的神經(jīng)活動(dòng)相呼應，而這種模式隨后演變?yōu)榇笫笮褋?lái)時(shí)對獎勵位置的回憶活動(dòng)模式，”Bollmann補充道。因此，研究團隊不僅觀(guān)察到睡眠期間神經(jīng)活動(dòng)模式在空間學(xué)習中的變化，還將其與記憶重新激活的過(guò)程關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而闡明了睡眠如何保持記憶的新鮮度。此外，他們還發(fā)現，這種重組發(fā)生在非快速眼動(dòng)（非REM）睡眠中，而快速眼動(dòng)（REM）睡眠對其有抑制作用。

為新記憶騰出空間？

這一在睡眠中發(fā)生的現象被稱(chēng)為“表征漂移”——可能具有何種作用？“對此我們只能進(jìn)行推測，”Csicsvari說(shuō)。“可能記憶表征在學(xué)習過(guò)程中快速形成，但并不適合長(cháng)期儲存。因此，在睡眠中可能會(huì )發(fā)生一個(gè)優(yōu)化表征的過(guò)程，以減少存儲特定記憶所需的大腦資源。”研究人員觀(guān)察到，經(jīng)過(guò)睡眠后，關(guān)聯(lián)某一獎勵位置的神經(jīng)元數量明顯少于之前。這表明，某些神經(jīng)元被釋放出來(lái)，有可能接收新的記憶。“任何新記憶都必須找到方式融入現有知識。頻繁的重復新記憶以及神經(jīng)編碼的部分變化，可能有助于優(yōu)化新記憶與現有記憶的整合，”Csicsvari總結道。

雜志：Neuron

DOI：10.1016/j.neuron.2025.02.025