人类为什么要睡觉?科学家们找到了回答这一古老问题的线索

2022年07月18日 08:46 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

人类为什么要睡觉?这个问题已经被科学家们争论了几百年,但最近麻省总医院(MGH)的研究人员通过跟布朗大学、退伍军人事务部和其他一些机构的专家合作进行的一项研究为解决这个谜团增加了新的线索。

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资料图

他们的研究最近发表在《Journal of Neuroscience》上,这可能有助于解释个人如何记住事情和掌握新技能。另外,它还可能有助于为那些有神经系统疾病或受伤的人创造辅助工具。

据该研究的论文第一作者、MGH神经技术和神经恢复中心的神经学家Daniel Rubin博士介绍称,科学家们早就知道在睡眠期间会发生一种被称为“重放”的现象。重放被认为是大脑用来回忆新信息的一种机制。当一只老鼠被教导浏览一个迷宫时,监测设备可能表明,当它遵循正确的路径时脑细胞或神经元的精确模式会亮起。Rubin说道:“然后,以后,当动物在睡觉时,你可以看到这些神经元会以同样的顺序再次发射。科学家们推断,这就是大脑在睡眠期间练习新获得的知识的方式,并使记忆得到巩固--也就是说,从短期记忆变成长期记忆。”

然而重放只在实验室动物中得到了适当的展示。“在神经科学界一直有一个公开的问题。这个关于我们如何学习事物的模型在多大程度上对人类是真实的?它对不同种类的学习是真实的吗?”神经学家Sydney S. Cash博士问道,他是MGH的神经技术和神经恢复中心的联合主任,也是这项研究的论文共同第一作者。Cash指出,重要的是,了解运动技能的学习是否发生重放有助于指导神经疾病和损伤患者的新疗法和工具的开发。

为了研究重放是否发生在人类运动皮层--管理运动的大脑区域--Rubin、Cash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,这意味着他的上下肢无法移动,在他的案例中是由于脊髓损伤。该名男子在研究中被确认为T11,是一个脑机接口设备临床试验的参与者,该设备可以让他在屏幕上使用电脑光标和键盘。该研究设备是由BrainGate联盟开发,该联盟是由来自数个机构的临床医生、神经科学家和工程师合作开发,目的是创造技术来恢复患有神经疾病、受伤或肢体丧失的人的交流、行动和独立。该联盟由MGH、布朗大学和退伍军人事务部的Leigh R. Hochberg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Simon的记忆任务,在该游戏中,玩家观察一个闪烁的彩灯图案,然后必须回忆并重现该序列。他仅仅通过思考自己的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的发射模式,这反映了他预期的手部运动,这使得他能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以无线方式传输到一台电脑上。

那天晚上,当T11在家里睡觉时,他的运动皮层的活动被记录下来并无线传输到电脑上。Rubin说道:“我们发现的是非常不可思议的。他基本上是在睡梦中玩了一夜的游戏。”Rubin指出,有几次,T11在睡眠中的神经元发射模式跟他当天早些时候进行记忆匹配游戏时的模式完全一致。“这是有史以来在人类睡眠期间看到的运动皮层重放的最直接证据。”

据悉,研究中检测到的大部分重放都发生在慢波睡眠期间,这是一个深度沉睡的阶段。有趣的是,当T11处于快速眼动睡眠时,检测到重放的可能性要小得多,而快速眼动睡眠是最常跟做梦相关的阶段。Rubin和Cash认为这项工作是学习更多关于重放及其在人类学习和记忆中的作用的基础。

Cash表示:“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一些范例从而帮助人们更快更有效地学习,以便在受伤后重新获得控制。”另外,他还补充称:“这种研究从我们与参与者的密切互动中获益匪浅,”他对T11和BrainGate临床试验的其他参与者表示感谢。

Hochberg也表达了赞同。他说道:“我们令人难以置信的BrainGate参与者不仅为创建一个恢复交流和行动能力的系统提供了有益的反馈,而且他们还为我们提供了推进人类基本神经科学的难得机会--了解人类大脑如何在单个神经元的电路水平上工作并利用这些信息建立下一代恢复性神经技术。

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