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我們為什么要睡覺？這個我們從小就好奇的問題卻難壞了神經科學家。

撰文 | 孫滔

審校 | 二七、clefable

經過層層闖關，科學家已經認識到，睡覺時，大腦神經元回放（重播）白天的經歷，是記憶得到鞏固的本質，如此就可將記憶長期存儲在神經回路中。這已經有了鼠類的實驗證據：當小鼠在迷宮內找到出路時，其神經元會有明確的放電模式，當其入睡后，科學家觀察到這個放電模式在小鼠的大腦中重播。

科學家推測，這正是大腦將短期記憶轉換為長期記憶的模式。于是人們想知道，人腦是否也是遵循了這個模式？然而這個推測卻一直缺少直接證據，一方面是技術不足，另一方面，在正常人的大腦中長期植入大量電極來做研究是不合倫理的。

如今機會來了。隨著腦機接口技術的革新，科學家現在可以獲得人入睡后一整晚的腦皮層放電信號，向著記憶的真相邁出了一大步。相關論文發表在 2022 年 6 月的《神經科學雜志》（Journal of Neuroscience）上。

精確證明

美國麻省總醫院的悉尼 · 卡什（Sydney Cash）博士抓住了這個好機會。

受試者是一名 36 歲、四肢癱瘓的男子，已經癱瘓長達 11 年。科學家對其進行的腦機接口研究本來是為了完善腦機接口設備，讓他更好地學習控制四肢。這套設備是入侵式的，且需長時間植入到大腦皮層中，所以癱瘓患者也成了適合睡眠研究的試驗對象。

這是一套專門開發的設備，2 個 96 通道微電極陣列需要長期放置在受試者的左中央前回（left precentral gyrus），這是人腦額葉后部的初級運動皮層所在地。設備可以讓受試者通過意念控制屏幕上的光標，進行規則簡單的西蒙游戲（Simon Game）：玩家按照機器示范依次點擊亮起的彩色發光按鈕，這考驗的是人的短期記憶能力和反應速度。

圖：從受試者大腦的三維重建圖。藍色區域是左中央前回。綠色和藍色方塊代表微電極陣列的精確位置。（圖片來源：Daniel B. Rubin et al., 2022 )

因為有腦機接口的輔助，當受試者看到彩燈亮起，植入在運動皮層的傳感器就會接受到他移動手部意愿的神經元放電信號，這些信號無線傳輸到計算機，于是他就能用意念控制光標來點擊按鈕。

驚喜來了。在經過每周 2 次、每次數小時的連續游玩后，研究人員分析其睡眠中的神經元放電信號后發現，這名男子睡眠期間的神經元放電模式與他前一天游戲時大腦中的放電模式完全匹配。

研究人員還發現，這些重播回放大部分發生在非快速眼動睡眠（NREM，也稱為慢波睡眠）階段，也就是深度睡眠階段，且回放速度為初始神經信號的 1 到 4 倍，也就是說，回放是加速的。而快速動眼睡眠（簡稱 REM）階段則很少有回放發生，這個階段與做夢密切相關。

一個明顯的改變是，在次日早上重復西蒙游戲任務時，男子會表現得更好。項目負責人悉尼 · 卡什稱，該研究可能有助于解釋個人如何記住事物和掌握新技能。

謎題千年

讓我們回到問題原點：人類為什么要有睡眠？從生物本能來看，睡眠可能是反進化的。因為在睡夢中，人的對外界警覺和自衛能力會大幅度下降，幾乎威脅到了生存，那么睡眠能一直存在，必然有著對生存來說至關重要的功能。

科學家提出了各種假說，包括節省能量，修復組織，調節體溫、代謝和免疫等等。但人們很快意識到，人在清醒狀態時也可以實現這些功能，所以這些可能并非是睡眠特有的好處。所以科學家將重點錨定在了睡眠與大腦功能的關系，比如消除自由基對大腦的傷害，以及補充大腦運行所消耗的能量等。

另一種猜想是睡眠能修復損傷的 DNA。最近，科學家通過研究提出，大腦中過度的 DNA 損傷會帶來危險，而睡眠則可以喚醒 DNA 修復系統。

不過，人們關注的重點還是睡眠與記憶的關系，因為睡眠時大腦無需處理巨量的外部信息，那么就成了記憶鞏固的最佳時間窗口。

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研究證據有不少。其一是剝奪一夜睡眠會顯著降低人的記憶力，其二是晚上入睡前學習比白日清醒時候的學習，對知識的記憶會更強。

最初科學家認為睡眠是通過屏蔽干擾信號來增強記憶的，這是一種被動的記憶模式，如今則認為在睡眠中記憶得到了系統的整合。

1971 年，計算機視覺之父、計算神經科學的創始人大衛 · 馬爾（David Marr）提出了兩階段記憶假說。假設記憶最初被編碼到一個快速學習存儲區（即海馬體），然后逐漸轉移到一個慢速學習存儲區進行長期存儲（即新皮質）。海馬體的存儲快速有效，但不能穩定持久，容易受到新編碼信息的干擾，那么通過睡眠的重播回放來反復激活，才能將信息編碼為長期記憶信息。

人們這時候普遍認為，清醒的大腦是用來編碼記憶的，睡眠時大腦則忙于優化記憶鞏固，將短期記憶轉化為長期記憶。這些假說并非定論，需要實驗的進一步驗證。

謎題追問

人類睡眠由 2 個核心的睡眠階段組成，即 NREM 和 REM，它們會循環交替出現。在一個睡眠周期中，NREM 在早期占主導地位，并且在整個睡眠期間強度和持續時間都在降低，而 REM 會出現在睡眠周期的后期。

更早的記憶研究集中在 REM 期，這個階段與做夢關系密切。大量動物（大鼠、小鼠和貓）實驗證明，在接受各種學習任務后，動物的 REM 會增加，并且相比于貧乏的環境，在豐富環境中生活的動物，睡覺時 REM 會更頻繁出現。

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隨著認識深入，REM 有助于記憶存儲的觀點受到質疑。至少有 2 方面的證據，其一是物種之間 REM 時間存在巨大差異，例如，雪貂每天的 REM 睡眠時間超過 6 小時，而人類只有 2 小時。第二個更關鍵的問題是，即使完全沒有任何 REM，例如一些患者在使用抗抑郁藥治療期間，也不會有任何明顯的記憶障礙。

最近人們更關注 NREM 對記憶鞏固的重要性。

最為經典的是有關氣味誘導記憶的研究。德國學者發現，在 NREM 期間，負責短期記憶轉化為長期記憶的海馬體被重新激活，從而觸發了與氣味相關內容的記憶。這些發現有功能性核磁共振成像的證據，只是這些腦成像的時間和空間分辨率非常低。

進一步的實驗表明，睡眠期間氣味引起的神經元重新激活甚至可以誘導產生更具創造性的想法，來幫助解決睡前遇到的難題。不過，重播回放不僅僅發生在睡夢期間，清醒時一樣會有。

需要追問的問題還有很多。比如，睡眠會選擇性記憶嗎？有研究稱，只有當受試者在睡前知道他們將在次日接受測試時，睡眠才能提高對無意義單詞的記憶。

再比如，睡眠的記憶益處是否是普適的？一項與年齡相關的薈萃分析揭示，睡眠讓年輕人的記憶受益頗多，而對老年受試者的影響有限。

只是，對于這個千古謎題，精確的結論還需大樣本研究以及更多實驗項目開展，需要科學家通過研究不斷地接力下去。如今的顱內腦電記錄顯然是一個值得優先考慮的研究手段，神經科學家們任重道遠。

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