我们为什么要睡觉？麻省总医院首次发现人类大脑运动皮层回放现象

“这是迄今为止在人类睡眠期间看到的来自运动皮层回放的最直接证据。”

——麻省总医院神经技术和神经恢复中心 Daniel Rubin 博士

我们为什么要睡觉？

科学家们对这个问题已经争论了几千年，但麻省总医院的研究人员与布朗大学、退伍军人事务部和其他一些机构的同事合作进行的一项新研究，为解决这个谜团增加了新的线索。

他们的研究结果发表在《神经科学杂志》（Journal of Neuroscience）上，可能有助于解释人类如何形成记忆和学习，并最终有助于为受神经系统疾病或损伤影响的人开发辅助工具。

该研究的主要作者麻省总医院神经技术和神经恢复中心的神经科医生Daniel Rubin博士解释说，研究实验动物的科学家很久以前就发现了一种称为“回放”的现象。

回放理论上是大脑用来记住新信息的策略。如果训练老鼠穿过迷宫，监测设备可以显示当它穿越正确的路线时，脑细胞或神经元的特定模式会亮起放电。

Rubin 博士表示：“稍后在动物睡觉的时候，你可以看到这些神经元会以同样的顺序再次亮起放电。”

科学家们认为，睡眠期间神经元放电的这种回放现象是大脑练习新学信息的方式，这使得记忆得以巩固，即从短期记忆转化为长期记忆。

Daniel Rubin博士

然而，回放只在实验室动物中得到了令人信服的证明。

麻省总医院神经技术和神经恢复中心的联合主任，Sydney S. Cash 博士问道："神经科学界存在一个悬而未决的问题：这个关于我们如何学习事物的模型在多大程度上反映了我们人类在学习事物过程中的真实性？它对不同类型的学习方式都是适用的吗？"他也是这项研究的共同高级作者。

Cash 表示，重要的是，了解在学习运动技能时是否会发生回放现象，有助于指导针对神经系统疾病和损伤患者的新疗法和工具的开发。

Sydney S. Cash 博士

为了研究回放是否会发生在人体运动皮层-控制运动的大脑区域 Rubin，Cash 和他们的同事招募了一名由于脊髓损伤患有四肢瘫痪的36岁男性，这意味着他无法移动他的上下肢。该患者被确定为 T11，是脑机接口设备临床试验的参与者，该设备允许他在屏幕上使用计算机光标和键盘。

在这项研究中，T11 被要求执行一项类似于电子游戏 "西蒙（Simon）"的记忆任务，在该游戏中，玩家观察到一个闪烁的彩色灯光图案，然后必须回忆并重现该序列。他只需考虑自己手的移动即可控制电脑屏幕上的光标。

植入 T11 运动皮层的传感器测量了神经元的放电模式，这反映了他预期的手部运动，使他能够在屏幕上移动光标，并在他想要的位置点击它。这些大脑信号被记录下来，并以无线方式传输到一台计算机。

那天晚上，当 T11 睡在家里时，他的运动皮层的活动被记录下来并无线传输到电脑。Rubin 博士表示：“我们发现的非常令人难以置信，他基本上是在睡梦中玩了一夜的游戏。” 在几次睡眠中，T11 的神经元放电模式与当天早些时候进行记忆匹配游戏时发生的模式完全一致。

Rubin 说：“这是迄今为止人类睡眠期间运动皮层回放现象最直接的证据。研究中检测到的大部分回放都发生在慢波睡眠期间，这是一个深度睡眠的阶段。有趣的是，当 T11 处于 REM（快速眼动）睡眠时，监测到的回放的可能性要小得多，REM睡眠是最常与做梦相关的阶段。Rubin 和 Cash 认为这项工作是了解回放现象及其在人类学习和记忆中所起的作用的基础。

“我们希望能够利用这些信息来帮助建立更好的脑机接口，并提出一些范式，帮助人们更快更有效地学习，以便在受伤后重新获得控制能力。”Cash 博士表示：“这项研究极大地受益于我们与参与者的密切互动，他对 T11 和 BrainGate 临床试验的其他参与者表示感谢。”

原文链接:

https://www.massgeneral.org/news/press-release/clues-brain-activity-sleep-could-aid-people-neurologic-disease