睡觉或放空，大脑均在高速运转重复记忆

从学生时代开始，不断有人告诉我们，劳逸结合很重要，适当放松能让人以更好的状态投入学习、工作。但一项研究发现，在清醒的时候，虽然你是休息状态，但大脑活动却能够以 20 倍的速度“回放”刚刚学过的动作序列，这个过程可能对记忆巩固非常重要。该研究2021年 6 月 8 日在《细胞报告》（Cell Reports）发表。

研究首次证明，人类清醒时会对刚学过的技能进行神经回放。这也是第一次证明，清醒时的神经重放活动能够预测记忆的快速巩固，这对早期学习至关重要。

休息时大脑在做什么？

当学习一项新技能时，如果在练习时间内频繁插入休息时间，记忆巩固和表现就会得到改善。这种现象称为间隔效应（spacing effect），已在多种任务中得到证明。清醒时的记忆巩固发生在几秒钟到几分钟内，其巩固幅度大约是经典研究所关注的睡眠后记忆巩固的 4 倍。

但目前，科学界尚不清楚大脑是如何在静息态（即清醒的放松状态）将离散的动作表征结合成统一的、具有明确时间顺序的动作表征。一种可能的机制是神经重放（neural replay），即在休息的时候，代表行为序列的神经活动模式重新活跃，并且时间上发生了压缩，仿佛神经活动被添加了“快进”。

研究第一作者、NINDS 的 Ethan R. Buch 说：“静息态的神经重放可能通过离线重演先前的练习，在清醒状态下促进技能的巩固，此前这个问题尚未在人类或动物模型中进行过研究。”

劳逸结合的真相

为了验证这一想法，研究人员使用了一种称为脑磁图 （magnetoencephalography，MEG）的大脑成像技术。30 名受试者在键盘上尽可能快速、准确地反复输入“41324”，每次实验时长 10 秒，重复 36 次，两次实验之间休息 10 秒。MEG 数据显示，他们的大脑在静息态发生了按键序列的神经重放。

神经重放仅持续 50 毫秒，速度达到了实际动作的 20 倍。与训练前或训练后的休息时间相比，在两次练习之间的休息时间，神经重放的频率大约要高出三倍。此外，与前 11 次实验相比，在最后 11 次实验之间的休息时间，神经重放的频率更高，此时受试者学习速度更快。此外，在练习期间的休息中重播事件更频繁，与更大幅度的技能巩固相关。

神经重放涉及的大脑网络包括海马区、感觉运动区和内嗅区。“海马和颞叶在程序性运动记忆中的深度参与令人惊讶，因为这种类型的记忆活动通常被认为不需要海马的参与，”Buch 说，“总的来说，我们的数据表明，静息态频繁、快速的神经重放会强化在先前练习中激活的的海马体和新皮层的关联，这个过程与提高后续表现、在清醒时巩固技能相关。”

睡眠状态重复记忆

当我们入睡时，我们的大脑虽处于离线状态，但它们仍在忙于组织新的记忆。

布朗大学(Brown University)，麻省总医院(Massachusetts General Hospital)等研究团队的研究人员在2020年5月5日发表在《Cell Reports》杂志上的报告中指出，在两名受试者的大脑中放置了皮质内微电极阵列，这是脑-机接口试点临床试验的一部分，这是第一个直接证据，表明人类大脑在睡眠时重复清醒状态时的经历。

科学家之前已经在动物身上观察到这种现象，科学家Beata Jarosiewicz领导的研究团队通过试验，测试了这种现象同样也发生在人脑中。

研究小组让两名参与者在玩序列复制游戏之前和之后打个盹。这个视频游戏有四个彩色面板，它们按不同的顺序发光，依次重复。参与者通过他们的大脑想象自己正在用手一个接一个地移动光标到不同的颜色面板上，尽可能快地按正确的顺序击中正确的颜色。参与者经过一段时间的游戏，然后休息时，研究人员通过植入的多电极阵列记录下他们大脑中大量单个神经元的峰值活动。如下图所示。

试验会话设置

A »»任务和时间表。在每个会话中，使用开环和闭环中心-输出任务对解码器进行初始化和校准(见方法细节;校准插图修改自Jarosiewicz等人，2015)。然后，参与者被邀请在一个任务前的休息期间(Rest1)闭上眼睛放松，如果需要的话还可以小睡一会儿。在Rest1之后，参与者执行了4个目标序列游戏，包括66个重复序列(在这个例子中是红-蓝-黄-蓝)，其间点缀着22个控制序列。游戏结束后，参与者被邀请再次闭上眼睛放松(Rest2)。

B »»参与者T9在其家中进行研究。

C »»游戏中的表现，分为控制序列和重复序列。每行代表一位参与者的一个会话（橙色= T9会话；矢车菊蓝= T10会话）。重复序列的成功率（正确完成序列的百分比）显着高于对照序列（Wilcoxon有符号秩检验，n = 10，p = 0.0039）。

参与者T9、T10进行游戏的实时视频如下：

参与者T10进行游戏视频

参与者T9进行游戏视频

BrainGate的研究人员正在努力开发长期植入的脑机接口，以通过使用大脑信号来移动电脑光标、机械臂和其他辅助设备，帮助有严重运动障碍的人重新获得交流和控制。

在这项研究中，研究小组在游戏期间和赛后休息期间都观察到了相同的神经元放电模式。换句话说，就好像参与者入睡后继续玩西蒙游戏一样，在神经元水平上重现他们大脑中的相同模式。这些发现提供了人类大脑中与学习相关的重放的直接证据。

在运动皮层中重复发射速率模式

A »»RIs分布的示例。每个分布中的一个值是一次试验的RI(当使用该试验作为模板时，从Rest1到Rest2的平均峰值CC值的变化百分比)。以重复序列试验为模板得到红色分布，以对照试验得到蓝色分布。神经信号的非平稳性会导致CC值的伪漂移;因此，重放被测量为重复试验和对照组试验的RIs之间的差异。在两个示例会话中(每个参与者一个)，重复序列试验(红色表示的平均值±SEM) 显示比对照序列试验显着更高的RI(蓝色部分;双样本单侧t检验)。

B »»扩张因子使用第95个百分位数的CC阈值)在每个时段的平均RI(重复对照)的差异。使用T9的会话用橙色显示，使用T10的会话用矢车菊蓝色显示。会话间的平均值用粗黑线表示。星号表示时间扩张因子，在此期间重复试验的平均RIs显著高于对照试验的平均RIs.

C和D »»测试得到的t分值(C)和对应的p值(D)，对于每一次扩张因子和centile threshold，重复试验平均RIs在各会话中是否高于对照试验平均RIs

回放不同会话的结果，休息时间细分为假定的NREM1和假定的清醒状态

A-C »»与图2B-2D相符，显示推定NREM1的结果。

D-F »»与图2B-2D相符，显示假定清醒的结果。

Jarosiewicz说:"这是第一个直接证据，表明在人类学习后休息时的回放可能有助于巩固这些记忆。""几十年来，我们在动物身上研究的所有与回放相关的记忆巩固机制实际上可能也适用于人类。"

尽管COVID-19健康风险主要集中在退休年龄家庭，但该小组发现，相当一部分工作年龄家庭也面临这些风险。

这一发现也为那些想要了解重放记忆巩固的潜在机制的人们提出了更多的问题和未来的研究课题。下一步就是要找到重放在记忆巩固过程中确实起因果作用的证据。一种方法是测试回放的强度和小睡后回忆的强度之间是否存在联系。

尽管科学家们尚未完全了解学习和记忆整合的工作原理，但一系列动物和人类研究表明，睡眠起着至关重要的作用。Jarosiewicz说，“在考试之前和重要面试之前”睡个好觉对良好的认知表现是有益的。“我们有充分的科学证据表明，睡眠在这些过程中非常重要。”

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展望未来，研究人员计划使用非侵入性脑刺激，测试清醒的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也能强化其他类型的记忆。了解对技能学习很重要的清醒重放特征，有助于优化治疗方案或确定更好的脑刺激策略，改善中风等脑损伤后的康复治疗效果。

本文部分内容转自科研圈和脑机接口社区，侵删。

参考

Replay of Learned Neural Firing Sequences during Rest in Human Motor Cortex

Human brain replays new memories at 20 times the speed during waking rest

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