人类为什么睡觉？神经科学家直击这个古老谜团的线索

　　

        

对睡眠时大脑活动的新见解可能有助于为那些患有神经疾病或损伤的人创造工具

人类为什么要睡觉?这个问题已经被科学家们争论了数百年，但最近，马萨诸塞州总医院(MGH)的研究人员与布朗大学、退伍军人事务部和其他几家机构的专家合作进行了一项研究，为解决这个谜题提供了新的线索。他们的研究最近发表在《Journal of Neuroscience》上，可能有助于解释个体是如何记忆事物和学习新技能的。它也可能有助于为那些有神经系统疾病或损伤的人创造辅助工具。

该研究的主要作者、MGH神经技术与神经恢复中心的神经学家丹尼尔·鲁宾博士表示，科学家们早就知道，在睡眠过程中，会发生一种被称为“回放”的现象。重播被认为是大脑用来回忆新信息的一种机制。当一只鼠被教会如何在迷宫中导航时，监测设备可能会提示，当它沿着正确的路径行走时，大脑细胞或神经元的一种精确模式会被点亮。鲁宾说:“随后，当动物睡觉时，你可以看到这些神经元会再次以同样的顺序放电。”科学家们认为，这就是大脑在睡眠中练习新获取知识的方式，使记忆得到巩固——也就是说，从短期记忆转变为长期记忆。

然而，“重放”只在实验室动物身上得到了恰当的证明。“在神经科学领域有一个悬而未决的问题:这个关于我们如何学习的模型在人类中适用到什么程度?”对于不同的学习方式也是如此吗?神经学家悉尼·卡什问道，他是医学博士，MGH神经技术和神经恢复中心的联合主任，也是这项研究的资深合著者。卡什说，重要的是，了解运动技能的学习过程中是否会发生回放，有助于指导神经疾病和损伤患者开发新的疗法和工具。

在一项新研究中，研究人员首次发现了控制自主运动的人类运动皮层中回放的证据。这可能会给瘫痪患者辅助工具的开发人员带来启发，也会提供我们如何学习和创造长期记忆的信息。

为了研究人类运动皮层(控制运动的大脑区域)是否会重现，鲁宾、卡什和他们的同事招募了一名36岁的四肢瘫痪(也叫四肢瘫痪)的男子，这意味着他由于脊髓损伤而无法移动自己的上肢和下肢。该男子在研究中被确定为T11，他参加了一项脑机接口设备的临床试验，该设备允许他在屏幕上使用电脑光标和键盘。该研究设备由BrainGate联盟开发，该联盟涉及多个机构的临床医生、神经科学家和工程师，目标是创造技术，为患有神经疾病、损伤或肢体丧失的人恢复沟通、行动和独立性。该联盟由布朗大学MGH和退伍军人事务部的Leigh R. Hochberg医学博士和博士指导。

在这项研究中，T11被要求执行一项类似于电子游戏《西蒙》的记忆任务，在这个游戏中，玩家观察一种彩色闪光的模式，然后必须回忆并重现这个序列。他仅仅通过思考自己手的动作来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放电的模式，这反映了他想要的手部运动，允许他在屏幕上移动光标，并在他想要的位置点击它。这些大脑信号被记录下来，并通过无线传输到电脑上。

当天晚上，当T11在家睡觉时，他的运动皮层的活动被记录下来，并无线传输到一台电脑上。“我们的发现非常不可思议，”鲁宾说。“他基本上是在睡梦中玩了一整晚的游戏。在某些情况下，T11在睡眠期间的神经元放电模式与他当天早些时候进行记忆匹配游戏时发生的模式完全匹配。”

鲁宾说:“这是人类睡眠时运动皮层回放的最直接证据。”研究中检测到的大部分回放发生在慢波睡眠期间，即深度睡眠阶段。有趣的是，当T11处于快速眼动睡眠(这个阶段通常与做梦联系在一起)时，重放不太可能被检测到。鲁宾和卡什认为这项工作为进一步了解回放及其在人类学习和记忆中的作用奠定了基础。

“我们的希望是，我们可以利用这些信息来帮助建立更好的脑机接口，并提出范式，帮助人们在受伤后更快、更有效地学习，以便重新获得控制，”卡什说，并指出将这一研究方向从动物转移到人类研究对象的意义。“这种研究从我们与参与者的密切互动中受益匪浅，”他补充道，并感谢T11和BrainGate临床试验的其他参与者。

他说:“我们令人难以置信的BrainGate参与者不仅为创建一个恢复沟通和行动的系统提供了有益的反馈，而且他们也给我们提供了一个难得的机会来推进基本的人类神经科学——了解人类大脑是如何在单个神经元的回路水平上工作的，并利用这些信息来构建下一代恢复性神经技术。”

“Learned Motor Patterns Are Replayed in Human Motor Cortex during Sleep” by Daniel B. Rubin, Tommy Hosman, Jessica N. Kelemen, Anastasia Kapitonava, Francis R. Willett, Brian F. Coughlin, Eric Halgren, Eyal Y. Kimchi, Ziv M. Williams, John D. Simeral, Leigh R. Hochberg and Sydney S. Cash, 22 June 2022, Journal of Neuroscience.
DOI: 10.1523/JNEUROSCI.2074-21.2022