最新《科学》确认：睡眠能“重启”大脑的学习功能

所有动物都需要睡觉，但睡觉的重要性常常被现代人忽略。总有人把睡觉看作浪费时间，试图把睡觉的时间“省下来”去做自己想做的事情，认为这样做才是积极把握有限的生命。实际上，睡眠的过程中，身体虽然“躺平”了，大脑并没有“躺平”。如果把大脑比作计算机，那么它进入睡眠并不等于“关机”或“休眠”，而更像是在“重启”和“更新”。

很多研究证据表明，大脑的神经网络在睡眠过程中发生着积极的变化，而且这些变化只有在睡眠时才会发生，从而使得大脑在经过睡眠后有更好的认知功能和学习能力。这就是为什么很多人有这样的体验：学了半天也记不住的新动作或是背了半天也记不住的新单词，睡一觉醒来反而记住了。

在《科学》杂志本周发表的一项研究中，康奈尔大学（Cornell University）的科学家为睡眠的重置作用提供了新的证据。他们发现，睡觉时，在负责学习和记忆的关键脑区——海马体，有一种特殊的神经活动模式对于记忆的巩固发挥了不可或缺的作用。

科学家们在先前的研究发现，记忆的巩固发生在睡眠期间，尤其是睡眠的非快速眼动（NREM）阶段。通常我们在NREM阶段的体验是睡眠逐渐变沉，越来越难被叫醒。但观察脑电波的话，大脑的海马体会在这个阶段出现一种很特殊的活跃放电模式，被称为尖波涟漪（sharp-wave ripple，简称SWR），也就是一批神经元同步放电后，紧接着第二批神经元开始同步放电，像水波的推动一样。

海马尖波涟漪可以帮助大脑把不久前学到的东西或经历过的体验进行重播回放，从而把它们稳定并强化为长期记忆，储存到大脑皮质。实验显示，干扰睡眠时的尖波涟漪会让动物的记性变差，反之，人为增强尖波涟漪则会增强记忆。由此可见，海马体神经元的尖波涟漪放电模式对记忆的巩固有至关重要的作用。

在《科学》的这篇论文中，研究作者在小鼠的海马体中植入电极，记录它们在学习新任务以及随后睡眠期间的神经元活动模式。然而，除了尖波涟漪外，他们在睡眠NREM阶段注意到了神经网络中还有一种新的集群放电模式，可以与尖波涟漪形成“平衡”。并且，这种放电模式的“主角”是以往很少被关注的CA2锥体神经元。

海马体被细分为CA1、CA2、CA3三个区域，以往研究主要关注的是CA1和CA3这两个区域，其锥体神经元参与编码记忆。但这项研究的作者注意到活跃的CA1和CA3区域有时会突然变得安静，而此时CA2的一群神经元发出了一长串动作电位（a barrage of action potentials），因此研究人员把这种放电模式简称为BARR。

▲在睡眠期间，海马体的神经网络出现两种放电模式（图片来源：参考资料[1]）

相比尖波涟漪，BARR的持续时间要长得多，平均为300毫秒，前者为50毫秒。两者都在学习后的睡眠过程中立即增加并频繁出现，随着时间推移逐渐减少。而且两种放电模式的关系非常有趣，它们总是交替出现；当利用光遗传学技术人为增加CA1的尖波涟漪，很快由CA2主导的BARR也会增加。

进一步研究单个神经元的活动，研究作者揭示了在睡眠中巩固记忆的更完整过程：在NREM睡眠的早期，曾在清醒状态下参与学习的海马CA1神经元通过尖波涟漪被重新激活，然后随着BARR的出现，CA1神经元的活性在NREM后期逐渐下降到基线水平。通过BARR的“重置”，学习相关的CA1神经元也就可以不断地被再激活，重现学习时的神经活动。

▲海马体中不同区域的神经元通过尖波涟漪（SWR）和BARR的交替重新并巩固记忆（图片来源：参考资料[2]）

尽管BARR似乎抑制了尖波涟漪，但实验显示，BARR的抑制作用是记忆巩固所不可或缺的。当人为破坏BARR后，尖波涟漪仍会出现，但学习相关的神经元出现了“超同步”，它们的活动时间被过于拉长，神经元之间的连接出现异常，结果动物的记忆能力反而受损。

▲通过光遗传学破坏BARR，尽管仍会出现尖波涟漪，但小鼠的记忆表现受损（图片来源：参考资料[2]）

因此，研究人员总结说，学习后的神经元再激活需要达到一个平衡状态，过高或过低都会导致记忆问题，而新发现的BARR模式通过微妙地调控这种平衡，有助于防止神经元活动过度。

总的来说，这项新的发现再次表明，在学习后好好睡上一觉很有必要，可以让大脑为持续不断地学习和吸收新东西做好准备。

参考资料：

[1]Lindsay A.Karaba et al.，(2024)A hippocampal circuit mechanism to balance memory reactivation during sleep.Science Doi:10.1126/science.ado5708

[2]Xiang Mou&Daoyun Ji(2024)A BARRage of firing while asleep.Science Doi:10.1126/science.adr2431

[3]Sleep resets neurons for new memories the next day.Retrieved Aug.16，2024 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1054481