你休息的时候，你的大脑正在自动“复习”

本文来自微信公众号：MindverseResearch（ID：gh_be9d7092abf7），作者：朱思嘉，审校：十三维，原文标题：《Growingoffline：生物神经回放》，题图来自：视觉中国
纵然我们已不像半个世纪前那样对大脑的offline状态一无所知，如今不管是谁都知道休息和睡眠可以给我们带来诸多好处。但是在这个“内卷化”时代里，很多年轻人依旧把休息当做一种奢侈，仅仅想象自己生命的1/3将在睡眠中度过就会感到一种被落后的不安。于是他们牺牲了睡眠，熬夜工作、备考、学习新的知识。可如果他们有时间停下来回顾一下，或许就会发现，他们牺牲了健康的作息换来的的知识好像很难真正地“进入脑子” 。
而很多时候，我们先前怎么背也记不住的知识，怎么想也想不通的难题睡一觉或者是放空一段时间之后反而豁然开朗。睡眠似乎并不只是被动地起到防止外界干扰的作用，而是在其中扮演了一个更积极的角色，这里究竟发生了什么，我们无意识下的offline大脑究竟施展了什么样的“魔力”？近年研究激增的神经回放为我们提供了一种新的可能解释。
一、生物神经回放的研究历程
来自动物的发现
虽然近年神经回放研究吸引了足够的热度，但是神经回放现象的发现却并不是最近的事， 1994年，科学家就在大鼠身上首次发现了这种现象（Wilson&McNaughton ， 1994）。他们在三只大鼠的大脑中植入了记录海马子区CA1区细胞活动的微驱动阵列（microdrivearrays ，如下图所示），然后依次记录了：
（1）大鼠在正常睡眠期间的神经元放电情况（PRE）；
（2）大鼠完成空间运动任务（走迷宫获得食物）时的神经元放电情况（RUN）；
（3）大鼠在空间行为任务之后的睡眠期间的神经元放电情况（POST）。

文章图片
三只大鼠记录的海马锥体细胞群的空间放电特征
结果发现，大鼠在运动后睡眠期间的海马位置细胞会以其先前经过路径的相同顺序进行放电（如下图所示）。

文章图片
细胞网络的有效连接矩阵图：大多数在任务阶段出现的高度相关细胞对也在任务后的睡眠阶段中出现。 *点表示单个细胞、线条表示细胞之间的正相关、红色代表相关性大于0.2
继这项开创性工作之后，更多研究在非人类动物的不同皮层和皮层下区域都发现了神经回放的现象，即神经元细胞依照先前的放电顺序再次重新按顺序激活，发现的脑区包括视觉皮层、腹侧纹状体、内侧前额叶、顶叶和运动皮层等。并且研究发现神经回放可以出现在多种不同时期，包括清醒期间、非快速眼动睡眠（NREM）期间和快速眼动睡眠（REM）期间（Foster ， 2017）。
从动物实验到人类实验
尽管在动物身上做了大量的研究，但是在对人类的神经回放现象的研究中，由于神经元放电活动的观察困难性，在很长的一段时间内研究者都无法直接对神经回放本身进行研究，而此期间，非侵入式功能性神经影像学研究为神经回放提供了诸多的间接证据。
【你休息的时候，你的大脑正在自动“复习”】例如，通过在慢波睡眠期间呈现相关气味线索，海马体会得到相应的激活（Diekelmannetal. ， 2011）。此外，也发现了学习结束后离线阶段大脑的重激活现象，包括慢波睡眠时期海马体的再激活（Peigneuxetal. ， 2004），和运动学习后REM期间运动前皮层活动的增加（Maquetetal. ， 2000）。
目前，由于动物研究已经确认了神经回放发生的主要脑区和背后的神经机制，随着技术和方法的更新，最近的研究可以通过iEEGs、MEG（Buchetal. ， 2021;Liuetal. ， 2019）、iBIC甚至传统的fMRI（Schuck&Niv ， 2019）和行为实验（Zuoetal. ， 2020）的手段证明人类神经回放活动的存在，并且发现了人类的神经回放和动物神经回放的极大的相似性。从动物实验到人类实验，从侵入性研究到非侵入性研究，神经回放的研究进入了一个新的阶段。