原標(biāo)題你睡覺(jué)時(shí)大腦真在自動(dòng)學(xué)習(xí)！首個(gè)人體實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)了：加速1-4倍重放 深度睡眠階段效果最好
睡前隨便看了幾頁(yè)書或幾個(gè)單詞，一覺(jué)醒來(lái)發(fā)現(xiàn)居然印象很深刻。
不知道你是否有過(guò)類似經(jīng)歷？
科學(xué)家們一直都想好好研究一下這個(gè)現(xiàn)象，但此前一直受到技術(shù)條件限制，難以在夜間采集人類腦內(nèi)較弱的神經(jīng)活動(dòng)信號(hào)。
隨著最近腦機(jī)接口數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展，機(jī)會(huì)終于來(lái)了。
在志愿者參與的實(shí)驗(yàn)中，研究人員首次獲得了睡眠中人類大腦運(yùn)動(dòng)皮層“重放”白天活動(dòng)的直接證據(jù)。
論文一作、哈佛醫(yī)學(xué)院的Daniel Rubin表示：
我們的發(fā)現(xiàn)非常不可思議，他(志愿者)基本上是在睡覺(jué)時(shí)自動(dòng)練習(xí)了一整夜。
相關(guān)論文已發(fā)表在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域知名期刊The Journal of Neuroscience上。
大腦在你睡覺(jué)時(shí)加速學(xué)習(xí)
這位志愿者代號(hào)T11，不幸因脊髓損傷而四肢癱瘓。
他植入了BrainGate項(xiàng)目組的侵入式腦機(jī)接口電極，和去年參與意念打字研究的T5老爺子用的是同一套設(shè)備。
在這次實(shí)驗(yàn)中，T11白天需要玩一個(gè)簡(jiǎn)單的電子游戲：
先觀察彩色區(qū)域亮起的順序，稍后根據(jù)回憶控制光標(biāo)按順序移動(dòng)。
這是腦機(jī)接口研究中的一個(gè)經(jīng)典任務(wù)，其中的神經(jīng)活動(dòng)的模式比較容易捕捉和識(shí)別，此前也多次出現(xiàn)在相關(guān)研究中。
連續(xù)十天，T11需要在下午13:45-16:00做訓(xùn)練，晚上23點(diǎn)睡到第二天早上9點(diǎn)。
在訓(xùn)練時(shí)，腦機(jī)接口可以實(shí)時(shí)解碼并記錄他大腦運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)活動(dòng)。
T11并未被告知這個(gè)實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容，只當(dāng)是像往常一樣做恢復(fù)訓(xùn)練，晚上像往常一樣入睡。
但在這十天里，研究人員把他睡覺(jué)時(shí)腦機(jī)接口記錄的數(shù)據(jù)與白天的數(shù)據(jù)做比對(duì)。
用卡爾曼濾波等手段處理數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，夜間神經(jīng)元會(huì)以比預(yù)期更高的頻率間隔重放白天的訓(xùn)練內(nèi)容。
T11睡眠時(shí)神經(jīng)元的放電模式與白天訓(xùn)練時(shí)高度吻合，甚至有幾次是完全一致的。
凌晨0:50開(kāi)始的數(shù)據(jù)以及可視化演示
這種現(xiàn)象學(xué)名叫做離線重放 （offline replay），此前已在小鼠和人類白天休息時(shí)得到驗(yàn)證。
而人類睡眠過(guò)程中的重放還是首次被觀測(cè)到。
并且數(shù)據(jù)顯示，夜間重放的速度要比白天時(shí)要快上1-4倍。
也就是說(shuō)在你睡大覺(jué)的時(shí)候，你的腦子不光在自動(dòng)學(xué)習(xí)白天學(xué)到的內(nèi)容，還是加速學(xué)習(xí)。
而這一切你自己卻完全不知情。
任務(wù)越難，大腦越活躍
之前也有一系列研究，分別驗(yàn)證了小鼠睡眠中海馬體和新皮層的神經(jīng)活動(dòng)可以練習(xí)走迷宮。
以及人類白天休息時(shí)類似的離線重放現(xiàn)象等。
將這些發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合后，研究人員提出一種觀點(diǎn)：
重放學(xué)習(xí)可能是跨越大腦多個(gè)區(qū)域的保留機(jī)制，包括語(yǔ)義、導(dǎo)航以及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。并進(jìn)一步支持了睡眠在記憶鞏固中的作用。
除此之外，這項(xiàng)研究還驗(yàn)證了之前的幾個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：
第一，重放發(fā)生的時(shí)間主要在生物學(xué)意義上的慢波睡眠（Slow-wave Sleep），更常見(jiàn)的叫法是非快速眼動(dòng)階段（Non-REM Stage），或者叫深度睡眠。
第二，重放活動(dòng)與海馬體引起的尖波漣漪（Sharp Wave Ripple）高度相關(guān)。
尖波漣漪是神經(jīng)元同步活動(dòng)的快速爆發(fā)，會(huì)形成一種高頻震蕩。
重放與尖波漣漪的關(guān)系
第三，白天練習(xí)的任務(wù)越難，睡覺(jué)時(shí)重放活動(dòng)越強(qiáng)烈。
在未來(lái)計(jì)劃中，BrainGate聯(lián)盟的研究團(tuán)隊(duì)打算系統(tǒng)性地改變?nèi)蝿?wù)難度，進(jìn)行更深入的研究。
BrainGate聯(lián)盟由臨床醫(yī)生、神經(jīng)科學(xué)家和布朗大學(xué)、哈佛醫(yī)學(xué)院、麻省總醫(yī)院等機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起，目標(biāo)是用腦機(jī)接口技術(shù)幫助因神經(jīng)疾病或損傷喪失肢體行動(dòng)能力的患者。
One More Thing
既然深度睡眠階段大腦在鞏固記憶，那么在快速眼動(dòng)期（也就是做夢(mèng)最多的那個(gè)階段），大腦又在做什么？
此前Science上一篇論文解釋了這一點(diǎn)。
快速眼動(dòng)期，海馬體中負(fù)責(zé)分泌黑色素聚集激素的MCH神經(jīng)元會(huì)幫助大腦主動(dòng)遺忘不重要的信息。
由于做夢(mèng)主要發(fā)生快速眼動(dòng)期，此時(shí)MCH神經(jīng)元活躍，這也是為什么夢(mèng)的內(nèi)容醒來(lái)后會(huì)被忘記的原因之一。
那么，你是否有過(guò)一覺(jué)醒來(lái)，把前一天看過(guò)的內(nèi)容都記住了這種經(jīng)歷呢？