人类如何巩固记忆？大脑在清醒休息时以20倍的速度回放新记忆

撰文 | nagashi

记忆是一种很神奇的东西，当清醒时，人类会不断学习身边出现的新事物，并形成瞬时记忆或短期记忆，这些记忆在经过不断巩固之后就会形成长期记忆。从神经-分子机制上来看，记忆的形成都体现为神经元之间连接的形成或协同。

从这个概念角度来看，无论是瞬时记忆还是长期记忆，无论是死记硬背还是灵活记忆，它们在本质上都是一致的。因此，记忆的本身并不神秘，而是其形成、巩固以及遗忘的结构复杂性和难以预测性一直在困扰着人类。

近日，美国国立卫生研究院、法国里昂神经科学研究中心以及德国莱比锡大学医学中心等研究机构联合在 Cell 子刊 Cell Reports 上发表了题为：Consolidation of human skill linked to waking hippocampo-neocortical replay 的研究论文。

该研究表明，清醒休息时的神经重放可能有助于人类对动作序列的记忆巩固。大脑成像结果显示，一个代表人们正在学习的行为序列的神经网络会在练习的休息间隔以20倍的速度快速、反复地重新激活和重放，从而对这段记忆进行加强巩固。

当学习一项新技能时，如果我们经常在休息的时候穿插练习模块，记忆的巩固和表现就会得到较为显著的提高，这种现象也被称为“间隔效应”。实际上，有研究表明清醒时的记忆巩固发生在几秒钟或几分钟内，其强度大约是需要睡眠的过夜巩固的经典研究的四倍。

但目前还不清楚的是，在清醒休息期间，大脑是如何将离散的动作表征结合为统一的、时间精确的技能的。其中，一种可能的机制是神经重放，即在休息期间代表行为序列的神经活动模式在时间压缩下重新激活。

该研究的第一作者兼通讯作者 Ethan R. Buch 表示，在清醒时的重放，通过对先前练习的离线复述，有可能促进清醒时技能的巩固，但这个问题还没有在人类或动物模型中研究过。”

为了验证这一想法，研究人员使用了一种叫做脑磁图（MEG）的大脑成像技术。30名受试者在36次长达10秒的试验中反复在键盘上尽可能快地输入“41324”，并在试验间隔穿插10秒的休息。

本研究的脑磁图试验模式图

有趣的是，脑磁图数据显示，按键序列的神经重放发生在清醒休息期间。这种神经重放只持续了50毫秒——比实际行为快20倍！与训练前或训练后的休息时间相比，在两轮训练之间的休息期间，这些神经重放的频率约为三倍。

神经重放的检测

不仅如此，在36次试验中，与最后的11次试验相比，参与者在最前面的11次试验中学习速度更快，神经重放的频率也更高。此外，在两次练习的休息间隔期间，参与者表现出更大的技能巩固与更频繁的神经重放事件。

在清醒休息期间，参与者表现出更频繁的神经重放

更重要的是，这项研究意外地发现，这种神经重放事件招募了包括海马区、感觉运动区和内嗅区在内的大脑网络。

Ethan R. Buch 表示，在程序运动记忆回放过程中，海马和中颞叶活动的强烈参与是令人惊讶的，因为这种类型的记忆通常被认为不需要海马的贡献。总的来说，这些数据表明，频繁、快速的清醒回放强化了之前练习中所学到的海马体和新皮层的联系——这一过程与提高随后的表现和清醒时技能的巩固有关。

神经重放事件在人类大脑中的空间分布特征

在未来的研究中，研究团队计划使用非侵入性的大脑刺激来测试清醒时的神经重放是否在早期技能学习中起因果作用，并确定快速巩固是否支持其他类型的记忆。这将有助于人类了解清醒时神经重放对技能学习的重要特征，并帮助医生优化大脑治疗策略，以提高中风等脑损伤后的康复效果！

论文链接：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(21)00539-8