Nature:沉睡时,大脑在想些什么?
作者: mints 编译 / 1155次阅读 时间: 2021年7月21日
标签: 解梦 睡眠
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人类有三分之一的时间在睡眠中度过。但是,大脑在这么长的时间里做了些什么呢?

瑞士日内瓦大学的科学家们通过人工智能方法解码了睡眠过程中的大脑活动。

该研究小组分析了功能性磁共振成像(fMRI)和脑电图(EEG)提供的数据后发现,大脑在深度睡眠时的工作就是整理白天处理的数千条信息。

事实上,到了晚上,不再接受外界刺激的大脑可以对所有的记忆进行评估,以便只保留最有用的记忆。为了完成以上的工作,大脑会在不同区域之间建立内部对话机制。

该研究发现,将获得的奖励和特定的信息相关联,就会促使大脑形成长期记忆。这项发表在7月6日《自然·通讯》杂志上的研究首次为人类睡眠中的思维打开了一扇窗,论文开放获取中。doi.org/10.1038/s41467-021-24357-5


储存记忆的痕迹

由于人类还没有找到可以翻译大脑活动的工具,因此,我们目前仍然无法知道大脑在睡眠中到底想了些什么。

然而,我们知道睡眠对巩固记忆和情绪管理起着重要作用:当我们睡着后,我们的大脑就会重新激活白天建立的记忆轨迹,帮助我们调节情绪。

论文的主要研究者、美国大学医学院基础神经科学系索菲·施瓦茨(Sophie Schwartz)教授实验室的研究员Virginie Sterpenich解释说:“为了找出睡眠过程中被激活的脑区,并且能够破解这些区域如何协助我们巩固记忆的秘密,我们开发了一种能够破解深度睡眠时的大脑活动及其对应内容的解码器。”

Sterpenich说:“我们特别想知道积极情绪在此过程中发挥了多大的作用。”

在深度睡眠期间,储存了近期事件暂时痕迹的海马体将白天储存的信息发回大脑皮层。这样就建立了一个对话机制,大脑通过回放当天的事件来巩固记忆,从而加强神经元之间的联系。


结合核磁共振、脑电图和人工智能

科学家们在傍晚时分将志愿者置于核磁共振成像仪中,让他们玩两个电子游戏——一个类似于“猜猜谁”的人脸识别游戏,以及另一个必须找到出口的3D迷宫。

之所以选择这两个游戏,是因为这些会激活不同的、很特别的脑区,在MRI图像中也更容易区分这些脑区。

此外,志愿者并不知道自己这两款游戏已被实验人员操控了——志愿者只能赢其中一个(一半的志愿者赢了第一个游戏,另一半赢了第二个游戏),这样,大脑就会在赢的游戏和积极情绪之间建立联系。

然后,志愿者们在核磁共振成像中睡上一到两个小时(即,一个睡眠周期的长度),与此同时,fMRI再次记录他们的大脑活动。

Sophie Schwartz解释说:“我们将脑电图(EEG)和功能性核磁共振(MRI)结合起来,前者测量睡眠状态,后者每两秒钟拍一张大脑活动的照片,然后用‘神经元解码器’来确定在游戏期间观察到的大脑活动是否会在睡眠中自发地再现。”


即使睡着了,大脑也喜欢奖励

科学家在比较了清醒时和睡眠阶段的MRI扫描结果发现,大脑在深度睡眠期间的激活模式与游戏阶段记录活动方式的非常相似。

“而且,很明显,大脑通过激活清醒时使用的区域,重新体验了游戏的胜利,而不是游戏的失败。”

你一入睡,大脑活动就会改变。随着睡眠的深入,志愿者的大脑又开始“思考”这两个游戏,而且,有意思的是,大脑在进入深度睡眠时几乎只考虑自己获胜的游戏。

和奖励相关的海马以及腹侧被盖区在睡眠中再被激活

Sterpenich, V., van Schie, M.K.M., Catsiyannis, M. et al. (2021) Reward biases spontaneous neural reactivation during sleep. Nat Commun 12, 4162. https://doi.org/10.1038/s41467-021-24357-5

两天后,志愿者们进行了一项记忆测试:一个是识别游戏中的所有面孔,另一个是找到迷宫的起点。

同样,和游戏有关的脑区在睡眠中激活的越多,记忆表现就越好。也就是说,当奖赏在睡眠中被自发激活时,与奖赏又关的记忆会更强。

日内瓦研究小组的这项工作拓展了睡眠中大脑的研究方法,在大脑每天晚上所做的不可思议的工作方面开辟了一个新的视角。图片

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