我们为什么要睡觉？长期以来，科学家就这个问题争论不休。最近，一项新的实验为解开谜团提供了新的线索。这项研究由麻省总医院（MGH）和布朗大学，美国退伍军人事务部，以及其他几个机构的的研究人员合作完成，研究成果发表于神经科学期刊 (Journal of Neuroscience）。这项成果能够阐明人类学习和形成记忆的过程，并最终有助于为神经系统疾病和损伤的患者研发出新的辅助工具。
论文的主要作者，麻省总医院神经技术和神经恢复中心的医学和哲学博士、神经病学家丹尼尔·鲁宾（Daniel Rubin）解释道，科学家在很早以前就已经在实验室动物的身上发现了称之为“回放”的现象。这一现象发生在动物的睡眠过程中。
论文题目：
Learned Motor Patterns Are Replayed in Human Motor Cortex during Sleep
DOI：
https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2074-21.2022
“回放”现象在理论上被认为是大脑用来记住新信息的一种策略。如果让一只受到训练的老鼠穿过迷宫，当它穿过正确的路线时，监控设备中特定模式的脑细胞或神经元会亮起。
鲁宾说道：“之后在老鼠睡着时，你会发现，那些神经元又会以同样的顺序再次激发。”在科学家们看来，这种睡眠当中神经活动的 “回放” 过程实际上是大脑练习刚学到的信息的一种方式；这个过程把短期记忆转化成了长期记忆，使记忆得以被巩固。
然而，这种“回放”现象仅在实验室动物身上得到了论证。
“在神经科学界有一个开放性问题，那就是：上述的模型在多大程度上反映了人类学习的真实情况？它适用于不同种类的学习吗？” 该研究的共同资深作者，麻省总医院神经技术和神经恢复中心的联合主任、医学和哲学博士、神经病学家悉尼·喀什教授（Sydney S. Cash）提出这样的疑问。
重要的是，喀什说，理解动作技能的学习是否会发生“回放”现象，将有助于我们为患有神经系统疾病或损伤的人群研发出新的治疗方法和工具。
为了探究“回放”是否在人类的运动皮层（控制运动的大脑皮层）内产生，鲁宾、喀什以及其他的同事找来了一位四肢瘫痪的36岁男性，他由于脊椎损伤而无法移动上下肢。
这位男性在研究中被称为参与者T11。他参与了脑机接口仪器的临床试验。在试验中，他可以通过仪器操作屏幕上的电脑鼠标和键盘。
这个试验性仪器由大脑之门（BrainGate）联合组织开发。该组织涉及多个机构的临床医生、神经科学家和工程师的合作，致力于开发新的科技来帮助神经系统疾病、损伤或失去肢体的患者恢复他们的沟通、运动、和独立的能力。该组织由属于麻省总医院、布朗大学和美国退伍军人事务部的医学和哲学博士雷·霍赫贝格博（Leigh R. Hochberg）指导。
在研究中，T11被要求去做一项类似于电子游戏“西蒙”的记忆任务。在“西蒙”游戏中，玩家观察彩色的灯光按照一定顺序闪烁，然后需要通过回忆来重现这一序列。T11仅仅通过在大脑里想自己手部的动作，就可以控制电脑屏幕上的光标。
植入T11的运动皮层的传感器能够测量神经元的激发模式，这些模式反应了他预期的手部运动，使得他能够在屏幕上移动光标并点击他想要的位置。这些大脑信号都被记录下来并无线传输给一台计算机。
那一晚，当T11在家里睡觉时，他运动皮层的活动也被记录下来并无线传输给了一台计算机。
“我们的发现令人难以置信”，鲁宾说。“他基本上是在睡梦中又玩了一次游戏。”
鲁宾说，有几次，T11在睡眠期间神经元的激发模式与他当天玩记忆游戏时大脑中发生的模式完全匹配。
“这是人类睡眠期间运动皮层回放现象的最直接证据。”鲁宾说。
研究中检测到的大部分回放发生在慢波睡眠期间，这是一个深度睡眠的阶段。有趣的是，当T11处于快速眼动睡眠（最常与做梦相关的阶段）时，重播的可能性则要小很多。鲁宾和喀什将这项工作成果视为是深入了解回放及其在人类学习和记忆中的作用的基础。
“我们希望可以利用这些信息来帮助建立更好的脑机接口，并创造出模版来帮助人们更快、更有效地学习，以便在受伤后重新获得控制。”喀什指出将研究对象从动物转为人类的重要性。
“我们的这种研究极大地受益于我们与参与者的密切互动。”他补充道，感谢参与大脑之门临床试验的T11以及其他参与者。
霍赫伯格表示同意。他说，“我们的参与者非常棒，不仅为创建恢复沟通和移动性的系统提供了有益的反馈，而且还为我们提供了推进人类基本神经学的难得机会——了解人类大脑如何在个体回路和神经元水平上工作，并利用这些信息来构建下一代恢复性神经技术。”
作者：Mass General | 排版：光影
译者：Leo | 校对：苏木弯
编辑：山鸡、光影 | 封面：Linh Dao
