縱然我們已不像半個(gè)世紀(jì)前那樣對(duì)大腦的 offline 狀態(tài)一無(wú)所知，如今不管是誰(shuí)都知道休息和睡眠可以給我們帶來(lái)諸多好處。但是在這個(gè)“內(nèi)卷化”時(shí)代里，很多年輕人依舊把休息當(dāng)做一種奢侈，僅僅想象自己生命的1/3將在睡眠中度過(guò)就會(huì)感到一種被落后的不安。于是他們犧牲了睡眠，熬夜工作、備考、學(xué)習(xí)新的知識(shí)?？扇绻麄冇袝r(shí)間停下來(lái)回顧一下，或許就會(huì)發(fā)現(xiàn)，他們犧牲了健康的作息換來(lái)的的知識(shí)好像很難真正地“進(jìn)入腦子”。

而很多時(shí)候，我們先前怎么背也記不住的知識(shí)，怎么想也想不通的難題睡一覺(jué)或者是放空一段時(shí)間之后反而豁然開朗。睡眠似乎并不只是被動(dòng)地起到防止外界干擾的作用，而是在其中扮演了一個(gè)更積極的角色，這里究竟發(fā)生了什么，我們無(wú)意識(shí)下的offline大腦究竟施展了什么樣的“魔力”？近年研究激增的神經(jīng)回放為我們提供了一種新的可能解釋。

【資料圖】

一、生物神經(jīng)回放的研究歷程

來(lái)自動(dòng)物的發(fā)現(xiàn)

雖然近年神經(jīng)回放研究吸引了足夠的熱度，但是神經(jīng)回放現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)卻并不是最近的事，1994年，科學(xué)家就在大鼠身上首次發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象（Wilson & McNaughton， 1994）。他們?cè)谌淮笫蟮拇竽X中植入了記錄海馬子區(qū)CA1區(qū)細(xì)胞活動(dòng)的微驅(qū)動(dòng)陣列（microdrive arrays，如下圖所示），然后依次記錄了：

（1）大鼠在正常睡眠期間的神經(jīng)元放電情況（PRE）；

（2）大鼠完成空間運(yùn)動(dòng)任務(wù)（走迷宮獲得食物）時(shí)的神經(jīng)元放電情況（RUN）；

（3）大鼠在空間行為任務(wù)之后的睡眠期間的神經(jīng)元放電情況（POST）。

三只大鼠記錄的海馬錐體細(xì)胞群的空間放電特征

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大鼠在運(yùn)動(dòng)后睡眠期間的海馬位置細(xì)胞會(huì)以其先前經(jīng)過(guò)路徑的相同順序進(jìn)行放電（如下圖所示）。

細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的有效連接矩陣圖：大多數(shù)在任務(wù)階段出現(xiàn)的高度相關(guān)細(xì)胞對(duì)也在任務(wù)后的睡眠階段中出現(xiàn)。*點(diǎn)表示單個(gè)細(xì)胞、線條表示細(xì)胞之間的正相關(guān)、紅色代表相關(guān)性大于0.2

繼這項(xiàng)開創(chuàng)性工作之后，更多研究在非人類動(dòng)物的不同皮層和皮層下區(qū)域都發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)回放的現(xiàn)象，即神經(jīng)元細(xì)胞依照先前的放電順序再次重新按順序激活，發(fā)現(xiàn)的腦區(qū)包括視覺(jué)皮層、腹側(cè)紋狀體、內(nèi)側(cè)前額葉、頂葉和運(yùn)動(dòng)皮層等。并且研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)回放可以出現(xiàn)在多種不同時(shí)期，包括清醒期間、非快速眼動(dòng)睡眠（NREM）期間和快速眼動(dòng)睡眠（REM）期間（Foster， 2017）。

從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)到人類實(shí)驗(yàn)

盡管在動(dòng)物身上做了大量的研究，但是在對(duì)人類的神經(jīng)回放現(xiàn)象的研究中，由于神經(jīng)元放電活動(dòng)的觀察困難性，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)研究者都無(wú)法直接對(duì)神經(jīng)回放本身進(jìn)行研究，而此期間，非侵入式功能性神經(jīng)影像學(xué)研究為神經(jīng)回放提供了諸多的間接證據(jù)。

例如，通過(guò)在慢波睡眠期間呈現(xiàn)相關(guān)氣味線索，海馬體會(huì)得到相應(yīng)的激活（Diekelmann et al.， 2011）。此外，也發(fā)現(xiàn)了學(xué)習(xí)結(jié)束后離線階段大腦的重激活現(xiàn)象，包括慢波睡眠時(shí)期海馬體的再激活（Peigneux et al.， 2004），和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)后REM期間運(yùn)動(dòng)前皮層活動(dòng)的增加（Maquet et al.， 2000）。

目前，由于動(dòng)物研究已經(jīng)確認(rèn)了神經(jīng)回放發(fā)生的主要腦區(qū)和背后的神經(jīng)機(jī)制，隨著技術(shù)和方法的更新，最近的研究可以通過(guò)iEEGs、MEG（Buch et al.， 2021; Liu et al.， 2019）、iBIC甚至傳統(tǒng)的fMRI（Schuck & Niv， 2019）和行為實(shí)驗(yàn)（Zuo et al.， 2020）的手段證明人類神經(jīng)回放活動(dòng)的存在，并且發(fā)現(xiàn)了人類的神經(jīng)回放和動(dòng)物神經(jīng)回放的極大的相似性。從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)到人類實(shí)驗(yàn)，從侵入性研究到非侵入性研究，神經(jīng)回放的研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。

在Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中，以主題“Neural replay”進(jìn)行檢索所得

人類運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)后的神經(jīng)回放研究

在本節(jié)中，我們將簡(jiǎn)單地介紹來(lái)自哈佛醫(yī)學(xué)院 Sydney S. Cash 團(tuán)隊(duì)在2020年（Eichenlaub et al.， 2020）和2022年（Rubin et al.， 2022）的兩項(xiàng)研究，不同于其他研究中更多地使用 MEG 等非侵入式神經(jīng)活動(dòng)無(wú)創(chuàng)記錄技術(shù)和神經(jīng)解碼（decoding）中的多變量模式分析方法來(lái)對(duì)正常人的腦活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，這兩項(xiàng)研究中使用植入式微電極陣列，對(duì)病人在序列運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)后的神經(jīng)元放電情況進(jìn)行了直接的記錄。

如其中一位研究者 Beata Jarosiewicz 博士所說(shuō)“這是第一個(gè)直接證據(jù)，證明我們也可以看到人類在學(xué)習(xí)后的休息期間有幫助鞏固記憶的回放現(xiàn)象……我們?cè)趧?dòng)物身上研究了幾十年與回放有關(guān)的記憶鞏固機(jī)制，看起來(lái)很可能也適用于人類?！?/p>

在 Cash 團(tuán)隊(duì)的這兩項(xiàng)研究中，被試首先完成微電極陣列設(shè)備校準(zhǔn)（熟悉如何通過(guò)意圖移動(dòng)光標(biāo)），然后被要求閉眼休息約半小時(shí)，記錄其靜息態(tài)下的腦活動(dòng)指標(biāo)（Rest1）；隨后被試會(huì)完成一個(gè)類似電子游戲“西蒙”（Simon）的序列運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)任務(wù)：電腦首先顯示目標(biāo)序列，然后被試通過(guò)自己的意念想象去操縱光標(biāo)按照這樣的序列運(yùn)動(dòng)（iBCI，詳見(jiàn)下圖和視頻），其中被試需要完成的重復(fù)序列和隨機(jī)序列試次數(shù)量呈現(xiàn)3:1的比例（Sequence game）；任務(wù)結(jié)束后，被試會(huì)再次閉眼休息并被記錄學(xué)習(xí)后的腦活動(dòng)情況（Rest2）。

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