版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們

圖片來(lái)源：pixabay

早在古羅馬時(shí)期，當(dāng)時(shí)的修辭學(xué)家和教師昆體良（Quintilian）就已經(jīng)看到了睡眠與記憶的密切聯(lián)系：“這是一個(gè)奇怪的事實(shí)，其原因并不明顯，一個(gè)晚上的間隔會(huì)大大增加記憶的強(qiáng)度……這個(gè)通常被認(rèn)為導(dǎo)致遺忘的時(shí)間段，其實(shí)是在增強(qiáng)我們的記憶?！?/span>

大概每一個(gè)曾親耳聽(tīng)過(guò)動(dòng)物睡眠時(shí)大腦活動(dòng)的人，都不會(huì)忘記那一瞬間的震撼：經(jīng)過(guò)揚(yáng)聲器放大后，研究者往往會(huì)聽(tīng)到一陣猛烈、急促的“砰砰”聲。有人會(huì)將它比作“一陣槍聲”“一陣煙花”，也有人會(huì)以為是哪里發(fā)生了爆炸。

事實(shí)上，研究者聽(tīng)到的是大腦中的一種電信號(hào)，或者說(shuō)腦波。在 20 世紀(jì)，更先進(jìn)的成像技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)還沒(méi)誕生時(shí)，研究者會(huì)將處理后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為音頻信號(hào)，依靠聲音實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)物的大腦活動(dòng)狀態(tài)。

這種監(jiān)測(cè)大部分都發(fā)生在大鼠身上。在清醒時(shí)，伴隨著對(duì)新環(huán)境的探索，大鼠的大腦會(huì)發(fā)出穩(wěn)定、有節(jié)奏的振動(dòng)。而當(dāng)大鼠睡著后，揚(yáng)聲器里的炸響通常會(huì)驚醒設(shè)備這頭困倦的人類研究者。

雖然如今研究者的耳朵不再需要受這份折磨，但這樣的聲音其實(shí)直觀反映了大腦睡眠時(shí)的活動(dòng)。這種腦波被稱為“尖波漣漪”（sharp-wave ripple），這是一陣劇烈、高頻（往往在 100~250Hz）的腦波，由大腦的海馬體發(fā)出。

不同長(zhǎng)度的尖波漣漪（圖片來(lái)源：Matthew A. Wilson & Bruce L. Mcnaughton., 1994）

尖波漣漪

目前的研究發(fā)現(xiàn)，尖波漣漪會(huì)在兩種情況下出現(xiàn)：一種是在人類或動(dòng)物清醒，但處于放松的非活動(dòng)狀態(tài)下，尤其是在完成任務(wù)后安靜休息時(shí)，這表明大腦正在回顧和處理與任務(wù)相關(guān)的記憶；另一種就是在非快速眼動(dòng)睡眠（NERM）的第三個(gè)階段，在這個(gè)時(shí)期，這種腦波起到了將記憶從短期存儲(chǔ)（海馬體）轉(zhuǎn)移到長(zhǎng)期存儲(chǔ)（大腦皮層）的作用。

更具體地說(shuō)，尖波漣漪是大腦海馬體中一批神經(jīng)元同步放電，接下來(lái)是第二批神經(jīng)元的同步放電，然后是第三批、第四批……這樣的信號(hào)就像水波一樣擴(kuò)散出去，將海馬體在白天獲取的記憶，傳達(dá)給新皮質(zhì)，固定為長(zhǎng)期記憶。

一個(gè)經(jīng)典的大鼠實(shí)驗(yàn)，可以讓我們直觀地看到記憶是如何在睡眠時(shí)形成的：研究者將大鼠放入迷宮中，其中特定位置會(huì)放置作為獎(jiǎng)勵(lì)的食物。當(dāng)大鼠在迷宮中行走時(shí)，我們可以看到海馬體中不同的神經(jīng)元會(huì)依次放電，就像是這些神經(jīng)元在大腦中組成了一幅地圖。而大鼠入睡后，研究者驚訝地發(fā)現(xiàn)，在大鼠的慢波睡眠階段（NERM 的一部分），大腦中的這些神經(jīng)元正在以同樣的順序重復(fù)放電，只是速度是白天的 10~20 倍，就像是在大腦中將白天的經(jīng)歷加速重演了一遍。這些“倍速重放”的神經(jīng)元活動(dòng)，就構(gòu)成了尖波漣漪。

圖片來(lái)源：《環(huán)球科學(xué)》2024 年 4 月刊

隨后，越來(lái)越多的研究證明了尖波漣漪對(duì)記憶形成的重要性。當(dāng)研究者干擾尖波漣漪形成時(shí)，大鼠明顯難以記住自己之前做出的選擇。而人為延長(zhǎng)睡眠時(shí)尖波漣漪的持續(xù)時(shí)間，則會(huì)使大鼠在同樣的記憶任務(wù)中，表現(xiàn)大幅改善。

“迄今為止有關(guān)尖波漣漪的研究，充分展現(xiàn)了睡眠過(guò)程中尖波漣漪的重要性，所以我們自然而然地好奇，缺乏睡眠會(huì)對(duì)尖波漣漪產(chǎn)生怎樣的影響?！泵绹?guó)密歇根大學(xué)的神經(jīng)回路和記憶實(shí)驗(yàn)室的研究員卡姆蘭·迪巴（Kamran Diba）介紹道。

最近，迪巴和合作者在《自然》（Nature）發(fā)表的一項(xiàng)研究顯示，睡眠不足會(huì)降低尖波漣漪的質(zhì)量，從而抑制大腦中記憶“重放”的過(guò)程。更重要的是，這份損失即使補(bǔ)覺(jué)也難以挽回。

卡姆蘭·迪巴（圖片來(lái)源：Kamran Diba）

記憶的“窗口期”

這次的實(shí)驗(yàn)依然圍繞著大鼠在迷宮里的活動(dòng)展開(kāi)。在長(zhǎng)達(dá)數(shù)周的時(shí)間內(nèi)，迪巴和同事記錄了 7 只大鼠在迷宮中的探索過(guò)程，以及它們海馬體的活動(dòng)。辛苦走完迷宮后，其中一些大鼠可以獲得長(zhǎng)達(dá) 9 小時(shí)的自然睡眠。

同樣，就像所有“邪惡”的研究者一樣，研究團(tuán)隊(duì)會(huì)“溫和地”打擾了另外一些大鼠的睡眠，讓它們的睡眠時(shí)間減少了 5 小時(shí)，并監(jiān)測(cè)它們大腦中尖波漣漪的變化。

“令我們驚訝的是，在睡眠不足時(shí)，尖波漣漪的頻率甚至高于深度睡眠期間?！钡习捅硎?。被反復(fù)叫醒的老鼠與正常睡覺(jué)的相比，具有類似，甚至更頻繁的尖波漣漪。然而，這并不代表它們的記憶變得更強(qiáng)了。

圖片來(lái)源：pixabay

事實(shí)上，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，睡眠不足的大鼠神經(jīng)元放電的強(qiáng)度會(huì)變?nèi)?，從而?dǎo)致尖波漣漪的強(qiáng)度變低，也變得更加混亂。最重要的是，這些大鼠的神經(jīng)元會(huì)更少地重復(fù)白天的激活模式。也就是說(shuō)，睡眠不足影響了尖波漣漪的質(zhì)量，而質(zhì)量才是讓存儲(chǔ)在海馬體中的短期記憶變成長(zhǎng)期記憶的關(guān)鍵。

研究者還發(fā)現(xiàn)，睡眠不足之后，即使補(bǔ)覺(jué)也無(wú)法彌補(bǔ)記憶的缺失。研究者讓睡眠剝奪組重新恢復(fù)正常睡眠 2 天后，觀察到尖波漣漪的質(zhì)量有所恢復(fù)，但卻難以達(dá)到一直保持正常睡眠的大鼠所擁有的質(zhì)量。

看起來(lái)，因?yàn)槿庇X(jué)錯(cuò)過(guò)記憶形成的“窗口期”后，補(bǔ)覺(jué)也無(wú)法挽回這段時(shí)間記憶的損失，甚至無(wú)法立刻恢復(fù)將短期記憶轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)期記憶的能力。研究者在論文中寫道：“這一點(diǎn)值得注意，因?yàn)楸M管在足夠的睡眠后，大多數(shù)大腦健康和功能指標(biāo)，包括蛋白質(zhì)信號(hào)傳導(dǎo)和基因轉(zhuǎn)錄，都能恢復(fù)到正常水平，但因睡眠不足而受損的記憶通常不會(huì)恢復(fù)。”

復(fù)雜的作用

隨著我們對(duì)尖波漣漪的理解不斷加深，科學(xué)家逐漸意識(shí)到，它們?cè)谟洃浶纬蛇^(guò)程中其實(shí)發(fā)揮著非常復(fù)雜的作用。今年 3 月，發(fā)表于《科學(xué)》（Science）的一項(xiàng)研究對(duì)比了大鼠執(zhí)行任務(wù)或遭遇事件后，以及睡眠期間產(chǎn)生尖波漣漪的頻率。發(fā)現(xiàn)那些清醒時(shí)更頻繁發(fā)生的尖波漣漪，在睡眠時(shí)重播的頻率也更高。這說(shuō)明尖波漣漪就像標(biāo)簽一樣，篩選著我們白天的經(jīng)歷，決定哪些才能進(jìn)入我們的長(zhǎng)期記憶庫(kù)。

“這一發(fā)現(xiàn)與我們的結(jié)論一致，”迪巴表示，“也與我們 5 月發(fā)表于《自然》（Nature）的另一項(xiàng)研究一致?！痹谶@項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)尖波漣漪不僅會(huì)重放白天的信息，還在“預(yù)測(cè)”第二天的活動(dòng)?！耙虼?，睡眠不足也可能會(huì)削弱大腦對(duì)未來(lái)經(jīng)歷做出最佳反應(yīng)的能力。”迪巴表示。

最后，研究者給出了一些有關(guān)記憶的小建議：

問(wèn)：所以考前熬夜學(xué)習(xí)還有用嗎？

答：如果你臨時(shí)抱佛腳，并且在復(fù)習(xí)后好好入睡了，那可能也會(huì)有用。但脆弱的是當(dāng)天早些時(shí)候?qū)W到的信息。（隨著睡眠壓力越來(lái)越嚴(yán)重，）大腦緩沖這些信息并保留它直到你入睡的能力會(huì)變得越來(lái)越有限。

參考文獻(xiàn)

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07538-2

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07397-x

[3]https://www.nature.com/articles/d41586-024-01732-y

[4]https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk8261

[5]https://www.nature.com/articles/nn.2384

[6]https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(02)01096-6

[7]https://www.science.org/doi/10.1126/science.8036517

[8]https://www.quantamagazine.org/in-brains-electrical-ripples-markers-for-memories-appear-20190806/

[9]https://news.rice.edu/news/2024/brain-rest-neurons-rehearse-future-experience

策劃制作

來(lái)源丨環(huán)球科學(xué)（ID：huanqiukexue）

作者丨二七

責(zé)編丨何通

審校丨徐來(lái)、林林

歡迎掃碼關(guān)注深i科普！

我們將定期推出

公益、免費(fèi)、優(yōu)惠的科普活動(dòng)和科普好物！