睡眠與學習

蔡立英/編譯

●睡眠最重要的功能之一是處理記憶，研究者現在開始探究大腦是如何在我們睡覺的時候幫助我們學習的。

神經科學家簡·波恩（Jan Born）悄悄地嫉妒他8個月大的女兒。“她想睡覺的時候就睡覺。”然后，他又說睡眠是一個至關重要的學習時間，他女兒也許比一般成年人要學的東西更多。“我琢磨她是否需要睡覺，因為她的海馬區是滿的。”他說。

海馬區是大腦記憶網絡中的一個節點，記憶首先在這里被編碼為短期記憶，之后轉為長期記憶存儲。睡眠是將短期記憶下載到大腦的其他區域進行編譯和存儲的一種途徑。“我們知道睡眠中的大腦處理廣泛的記憶類型。”位于美國馬薩諸塞州波士頓貝斯以色列女執事醫療中心的神經科學家羅伯特·斯蒂克戈爾德（Robert Stickgold）說。

研究者知道些許睡眠會幫助你回憶起形形色色的東西，從你新近掌握的運動技能，比如如何彈鋼琴，到你昨晚穿什么衣服去劇院。

但是，睡眠不是像保存視頻文件到硬盤這樣一個被動的存儲過程。睡眠還會改裝記憶，它幫助我們編輯文件——比如添加或是移除記憶的內容或感情色彩——并且重新保存它們。“這不僅僅是記憶表示的增強，”波恩說，他在德國圖賓根大學研究睡眠和記憶，“記憶被重新激活和再加工。”

那么，到底是什么讓睡眠中的大腦成為一個記憶機器呢？“我們不知道大腦是如何做到以上任何一點的，”斯蒂克戈爾德說，“因為沒有人知道記憶是如何形成的。”但是這并不能阻止科學家進行探究的努力。研究者正在對人類和動物的被試者進行研究，記錄睡眠中的大腦是如何工作的，并嘗試把睡眠中的大腦活動與它所存儲的海量復雜的信息聯系起來。

記憶制造者

一個夜晚的睡眠分為5個截然不同的階段，大腦大約每90分鐘循環一次。在快速眼動睡眠階段，大腦的腦電活動和醒著的人的腦電看起來很像。研究者猜想快速眼動睡眠階段是做夢的時候——而且在睡夢中，記憶也許得到了鞏固，大腦把白天的經歷重新播放了一遍，并把它們存儲為持久的回憶。

慢波睡眠中記錄到的大腦和肌肉活動

為了支持這個觀點，在20世紀90年代中期，位于以色列雷霍沃特的魏茨曼科學研究所發現睡夢能幫助改善學習：當人們睡一覺之后再完成一項從屏幕中搜尋符號的任務時，會做得更好，而這種改善效果尤其與快速眼動睡眠有關。這一研究成果引發了研究者探究睡眠是記憶之根的研究興趣。

但是，如今我們已清楚記憶處理——甚至做夢——并不是快速眼動睡眠的專屬領地。快速眼動睡眠階段可以幫助我們進行情緒處理，這是記憶經常需要做的。但是記憶的許多搜集情況的工作是在睡眠的其他階段做的——幫助大腦進行記憶洗牌，在海馬區重新激活它們，在前額葉皮層等區域編輯它們，然后把記憶送回到更靠近海馬區的皮層區域進行長期存儲和檢索。“睡眠的所有環節都以某種方式對記憶做出了貢獻。”美國坎布里奇麻省理工學院的神經科學家馬修·威爾遜（Matthew Wilson）說。

自從20世紀90年代以來，許多研究者的研究焦點聚焦于慢波睡眠在記憶中的作用。慢波睡眠是深度睡眠中的一個階段，這一階段皮層發出1Hz左右的低頻電氣振蕩傳遍大腦。

研究焦點向慢波睡眠的轉移，并不一定是因為它比快速眼動睡眠更有趣，而是因為它更容易研究。大腦活動處于一個更一致的水平，而且研究者發現慢波睡眠的大腦活動模式能更容易地與最近的活動聯系在一起。例如，在老鼠實驗中，研究者發現老鼠走迷宮時和它們走完迷宮睡覺時的大腦活動模式是相同的。“非快速眼動睡眠在生理學上更容易研究，”威爾遜說，“這就是研究數據所在。”

如今有大量的證據表明慢波睡眠能幫助鞏固記憶。波恩的實驗顯示了那些被要求學習單詞關聯列表的人們的大腦相關區域，在睡眠時會協調它們的慢波活動。同步組神經元的活性被認為是大腦讓不同區域相互配合來編碼新信息的一種方式。

相比之下，紊亂的睡眠可能導致錯亂的記憶。斯蒂克戈爾德的研究團隊發現精神分裂癥患者的睡眠紡錘更少，睡眠紡錘是非快速眼動睡眠第二階段出現的半秒脈沖，這一階段位于慢波睡眠階段之前。也許結果是，精神分裂癥患者比沒有患精神分裂癥的睡眠者在第二天更難回憶起前一天學過的動作。

追蹤記憶痕跡

無人真正知曉睡眠中的大腦活動的這些電氣振蕩是如何在細胞水平上發揮作用，從而加強記憶痕跡的。即便如此，記憶總的來說還是充滿了令人沮喪的神秘。“如果我們能準確找出單個記憶的位置，”斯蒂克戈爾德說，“我們就能推斷出睡眠是如何改變它的。”

動物睡眠的研究正在幫助我們解決這一謎題。科學家可以插入電極，直接記錄某個大腦區域如海馬區的神經元，這比監視大腦電氣震蕩使他們更進一步了解大腦活動，大腦電氣震蕩是由許多神經元同時發電形成的。“動物研究能讓你了解記憶的基本原理，并且得知檢驗假設需要多大程度的實驗控制。”威爾遜說，他在進行老鼠研究。

迄今為止的實驗數據顯示，在動物的大腦中，當海馬區的腦細胞忙著重播白天形成的記憶時，會產生慢波震蕩。例如，在老鼠的大腦中，研究者記錄到貌似記憶回放的活動模式，于此同時，他們看到了慢波震蕩，暗示這兩者存在功能上的聯系。若是如此，那么在基本的神經元水平上，人類記憶與實驗動物的記憶并沒有根本的差別，在人類的慢波睡眠中會發生類似的過程。

在麻省理工學院，威爾遜和他的同事丹尼爾·本德 （Daniel Bendor）把記憶研究又向前推進了一步。他們發現影響睡眠中的老鼠的記憶回放是有可能的，可以使用暗示來促進和鞏固某些特定記憶。“顯示記憶和某些特定行為之間的聯系，總是像圣杯那般神秘。”威爾遜說。他們訓練老鼠根據播放的是哪個音調而在迷宮中往左跑或者往右跑。然后，當老鼠睡覺的時候，他們直接記錄海馬區的腦電活動。通過播放一個與左轉或右轉相關聯的音調，他們能夠影響老鼠對迷宮的空間記憶的回放——從本質上說，就是操縱老鼠“夢”的左轉或右轉。

威爾遜、本德和其他人現在想研究海馬區之外的大腦區域，看看大腦其他地方的記憶是如何存儲的。“每個人都知道的是睡眠在將記憶轉移到大腦的其他部分時是重要的。”羅蘭·弗蘭克（Loren Frank）說，他在舊金山加利福尼亞大學研究記憶。“但問題是現在基本上沒有支持這一觀點的直接證據。”來自功能磁共振成像的研究間接表明，記憶是通過一個叫做紋狀體的內腦區域把記憶轉移到大腦皮層進行長期存儲的，但是這一轉移路徑仍有待進一步證實。

睡個好覺

你的大腦多長時間處于慢波模式將決定一個晚上的睡眠質量。兒童的慢波睡眠時間比成年人長，波恩想看看這是否會對人們回憶一項任務帶來不同。

在今年早些時候發表的一項研究中，波恩和他的同事讓一些兒童和成年人根據哪個按鈕先亮按一列按鈕，然后讓他們睡覺。到第二天早上，兩組被試都被要求回憶他們記憶中的按鈕順序，而不讓他們重新操作按鈕。兒童更擅長把他們的任務操作轉化為顯性知識，任務操作讓他們獲得了關于按鈕順序的顯性知識。正如他們按按鈕所用的時間減少所顯示的，顯性知識就是他們對任務順序的記憶，他們能按照要求重現按鈕順序。兒童比成年人具有的這種更強的顯性知識，與兒童具有更多的大腦慢波活動有關，暗示了慢波睡眠時間更長的成年人也能獲得更佳的顯性知識。

神經科學家馬修·沃克（Matthew Walker）在美國加州大學伯克利分校實驗室的研究，專注于研究人們晚年的記憶會怎么樣。“我們知道，當我們老去時，我們的學習能力和記憶能力也會變差。”沃克說。他的研究團隊想知道這種衰退是否與睡眠有關。一項研究運用睡眠中的腦電活動記錄以及睡醒后的功能磁共振成像來研究回憶一項任務的大腦活動模式，揭示了隨著年齡的增長，我們不再能夠像年輕時那樣有效地形成新記憶。深度慢波睡眠數量的減少似乎是問題的關鍵。“年紀大的人睡眠不深，所以他們沒那么容易按下‘記憶保存’按鈕。”

老年人的大腦可能正在失去可塑性——這是一種隨著經歷的變化而適應和改變的能力，它是學習的基礎。美國費城賓夕法尼亞大學的神經科學家馬科斯·弗蘭克（Marcos Frank）已經研究了貓的睡眠與大腦可塑性是如何相互作用的。當貓處于一個月大的一個關鍵的發育期時，他把貓的一只眼睛蒙住，觀察睡眠受到剝奪的動物與允許正常睡眠的動物的大腦視覺皮質的差異。允許正常睡眠的貓的視覺皮質對于從依舊睜著的那只眼睛里看到的東西做出了更多反應。但是睡眠受到剝奪的貓，這種記憶鞏固過程被阻斷了。

值得紀念的一天

睡眠不是記憶處理的唯一時間。羅蘭·弗蘭克和他的同事馬蒂亞斯·卡爾森 （Mattias Karlsson）的研究表明，老鼠即使在醒著和安靜地休息時，也在重新激活記憶并且鞏固記憶。他們現在正在研究老鼠處于清醒狀態與睡眠狀態時重新激活記憶可能存在的差異。

威爾遜也認為睡眠、休息以及這兩種狀態之間的任何狀態在記憶處理中可能扮演著不同的角色。“問題不在于‘記憶有沒有被處理’，而是記憶在不同的大腦狀態是如何進行不同的處理的？”他對睡眠研究者提出了更為遠大的目標。“通過睡眠研究，”他說，“我們應該對記憶的本質達到一個全新的認識。”

如果我們對記憶的本質有更好的了解，也許我們就能運用這些知識使我們的記憶變得更敏銳。波恩的實驗室已能使用低水平的電刺激來改善人們的記憶。就在上個月，他們的研究表明同步聲音能增加睡眠中的慢波，從而提高人們對詞組的記憶力。同時，不可否認一晚的安眠非常重要。而對波恩8個月大的女兒來說，在嬰兒時期的大部分時間都閉著眼睛睡覺是非常重要的。