縱然我們已不像半個世紀(jì)前那樣對大腦的 offline 狀態(tài)一無所知，如今不管是誰都知道休息和睡眠可以給我們帶來諸多好處。但是在這個“內(nèi)卷化”時代里，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將在睡眠中度過就會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。可如果他們有時間停下來回顧一下，或許就會發(fā)現(xiàn)，他們犧牲了健康的作息換來的的知識好像很難真正地“進入腦子”。

而很多時候，我們先前怎么背也記不住的知識，怎么想也想不通的難題睡一覺或者是放空一段時間之后反而豁然開朗。睡眠似乎并不只是被動地起到防止外界干擾的作用，而是在其中扮演了一個更積極的角色，這里究竟發(fā)生了什么，我們無意識下的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

來自動物的發(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）。他們在三只大鼠的大腦中植入了記錄海馬子區(qū)CA1區(qū)細(xì)胞活動的微驅(qū)動陣列（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）大鼠完成空間運動任務(wù)（走迷宮獲得食物）時的神經(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)，大鼠在運動后睡眠期間的海馬位置細(xì)胞會以其先前經(jīng)過路徑的相同順序進行放電（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)胞對也在任務(wù)后的睡眠階段中出現(xiàn)。*點表示單個細(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

繼這項開創(chuàng)性工作之后，更多研究在非人類動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)包括視覺皮層、腹側(cè)紋狀體、內(nèi)側(cè)前額葉、頂葉和運動皮層等。并且研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)回放可以出現(xiàn)在多種不同時期，包括清醒期間、非快速眼動睡眠（NREM）期間和快速眼動睡眠（REM）期間（Foster， 2017）。

從動物實驗到人類實驗

盡管在動物身上做了大量的研究，但是在對人類的神經(jīng)回放現(xiàn)象的研究中，由于神經(jīng)元放電活動的觀察困難性，在很長的一段時間內(nèi)研究者都無法直接對神經(jīng)回放本身進行研究，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，通過在慢波睡眠期間呈現(xiàn)相關(guān)氣味線索，海馬體會得到相應(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，包括慢波睡眠時期海馬體的再激活（Peigneux et al.， 2004），和運動學(xué)習(xí)后REM期間運動前皮層活動的增加（Maquet et al.， 2000）。

目前，由于動物研究已經(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)機制，隨著技術(shù)和方法的更新，最近的研究可以通過iEEGs、MEG（Buch et al.， 2021; Liu et al.， 2019）、iBIC甚至傳統(tǒng)的fMRI（Schuck & Niv， 2019）和行為實驗（Zuo et al.， 2020）的手段證明人類神經(jīng)回放活動的存在，并且發(fā)現(xiàn)了人類的神經(jīng)回放和動物神經(jīng)回放的極大的相似性。從動物實驗到人類實驗，從侵入性研究到非侵入性研究，神經(jīng)回放的研究進入了一個新的階段。

在Web of Science數(shù)據(jù)庫中，以主題“Neural replay”進行檢索所得

人類運動學(xué)習(xí)后的神經(jīng)回放研究

在本節(jié)中，我們將簡單地介紹來自哈佛醫(yī)學(xué)院 Sydney S. Cash 團隊在2020年（Eichenlaub et al.， 2020）和2022年（Rubin et al.， 2022）的兩項研究，不同于其他研究中更多地使用 MEG 等非侵入式神經(jīng)活動無創(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對正常人的腦活動進行監(jiān)測和分析，這兩項研究中使用植入式微電極陣列，對病人在序列運動學(xué)習(xí)后的神經(jīng)元放電情況進行了直接的記錄。

如其中一位研究者 Beata Jarosiewicz 博士所說“這是第一個直接證據(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……我們在動物身上研究了幾十年與回放有關(guān)的記憶鞏固機制，看起來很可能也適用于人類。”

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

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