主要作者、密歇根大學(xué)庫羅什·馬布迪展示研究成果。圖片來源：密歇根大學(xué)
科技日報記者 張夢然
在睡眠期間，一些休憩的大腦神經(jīng)元不僅會重播過去，甚至還會演繹未來。這一發(fā)現(xiàn)是美國萊斯大學(xué)和密歇根大學(xué)團隊在一項關(guān)于睡眠和學(xué)習(xí)的研究中提出的見解。據(jù)近期《自然》雜志、美國萊斯大學(xué)官網(wǎng)消息稱，科學(xué)家們正在以前所未有的視角，研究大腦的單個神經(jīng)元。
有過備考經(jīng)驗的人幾乎都知道“睡前復(fù)習(xí)、事半功倍”。這是因為睡眠有助于將新體驗變?yōu)榉€(wěn)定記憶。多年前的研究就曾發(fā)現(xiàn)，如果動物在休息前探索新環(huán)境，那么它們大腦中的神經(jīng)元會以重現(xiàn)動物探索過程中軌跡的方式放電，海馬體中許多特殊神經(jīng)元的空間表征，在睡眠期間也是穩(wěn)定的。
但休憩中的大腦能力僅限于此嗎？科學(xué)家此次追蹤了“尖波漣漪”，這是一種在鞏固新記憶中發(fā)揮作用的神經(jīng)元激活模式，它可以標記新體驗的哪些部分會被存儲為記憶。
幸運的是，科學(xué)家首次觀察到這些單個神經(jīng)元如何在休憩期間保持穩(wěn)定的空間表征。他們通過測量小睡后（不是一段時間清醒或睡眠不足后）的記憶測試表現(xiàn)，展示了所謂的“演練”未來。
科學(xué)家先是訓(xùn)練小鼠在跑道上來回奔跑，跑道兩端都有“獎勵”。他們觀察了動物海馬體中單個神經(jīng)元在此過程中如何“放電”。通過計算來回多圈的平均放電率，能夠估計神經(jīng)元的位置場，或特定神經(jīng)元最“關(guān)心”的環(huán)境區(qū)域。
科學(xué)家們用到了一種統(tǒng)計機器學(xué)習(xí)方法，其可以利用神經(jīng)元繪制動物夢到的位置的估計值。接下來，再使用這些夢到的位置，估計數(shù)據(jù)集中每個神經(jīng)元的空間調(diào)諧過程。聽起來很復(fù)雜，但這個方法可以證實，對大多數(shù)神經(jīng)元來說，在體驗新環(huán)境期間形成的空間表征，在體驗后的幾個小時內(nèi)都是穩(wěn)定的。
令人驚訝的是，這些神經(jīng)元在睡眠期間所做的事情可不僅僅是穩(wěn)定體驗記憶——當科學(xué)家第二次將動物放回到環(huán)境中時，神經(jīng)元的變化確實反映了動物在睡眠時學(xué)到的東西，甚至就好像第二次接觸空間，實際上發(fā)生在動物睡覺時，真實的“第二次”則變成了“重演”。
以往，幾乎所有的可塑性研究（允許神經(jīng)元重新連接和形成新表征的機制），都是關(guān)注動物清醒期間、刺激出現(xiàn)時發(fā)生的情況。現(xiàn)在，人們觀察到的是在睡眠期間沒有相關(guān)刺激時的神奇變化。這一觀察，構(gòu)成了對睡眠期間發(fā)生的神經(jīng)可塑性的直接證據(jù)。
