你睡覺時大腦真在自動學習!首個人類實驗證據:加速1-4倍重放

2022年06月26日16:09:02 科學 1900

夢晨 發自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI

睡前隨便看了幾頁書或幾個單詞,一覺醒來發現居然印象很深刻。

不知道你是否有過類似經歷?

你睡覺時大腦真在自動學習!首個人類實驗證據:加速1-4倍重放 - 天天要聞

科學家們一直都想好好研究一下這個現象,但此前一直受到技術條件限制,難以在夜間採集人類腦內較弱的神經活動信號。

隨著最近腦機介面數據無線傳輸技術的發展,機會終於來了。

在志願者參與的實驗中,研究人員首次獲得了睡眠中人類大腦運動皮層「重放」白天活動的直接證據。

論文一作、哈佛醫學院的Daniel Rubin表示:

我們的發現非常不可思議,他(志願者)基本上是在睡覺時自動練習了一整夜。

你睡覺時大腦真在自動學習!首個人類實驗證據:加速1-4倍重放 - 天天要聞

相關論文已發表在神經科學領域知名期刊The Journal of Neuroscience上。

你睡覺時大腦真在自動學習!首個人類實驗證據:加速1-4倍重放 - 天天要聞

大腦在你睡覺時加速學習

這位志願者代號T11,不幸因脊髓損傷而四肢癱瘓。

他植入了BrainGate項目組的侵入式腦機介面電極,和去年參與意念打字研究的T5老爺子用的是同一套設備。

在這次實驗中,T11白天需要玩一個簡單的電子遊戲:

先觀察彩色區域亮起的順序,稍後根據回憶控制游標按順序移動。

你睡覺時大腦真在自動學習!首個人類實驗證據:加速1-4倍重放 - 天天要聞

這是腦機介面研究中的一個經典任務,其中的神經活動的模式比較容易捕捉和識別,此前也多次出現在相關研究中。

連續十天,T11需要在下午13:45-16:00做訓練,晚上23點睡到第二天早上9點。

你睡覺時大腦真在自動學習!首個人類實驗證據:加速1-4倍重放 - 天天要聞

在訓練時,腦機介面可以實時解碼並記錄他大腦運動皮層的神經活動。

你睡覺時大腦真在自動學習!首個人類實驗證據:加速1-4倍重放 - 天天要聞

T11並未被告知這個實驗的具體內容,只當是像往常一樣做恢復訓練,晚上像往常一樣入睡。

但在這十天里,研究人員把他睡覺時腦機介面記錄的數據與白天的數據做比對。

卡爾曼濾波等手段處理數據後發現,夜間神經元會以比預期更高的頻率間隔重放白天的訓練內容。

T11睡眠時神經元的放電模式與白天訓練時高度吻合,甚至有幾次是完全一致的。

你睡覺時大腦真在自動學習!首個人類實驗證據:加速1-4倍重放 - 天天要聞

△凌晨0:50開始的數據以及可視化演示

這種現象學名叫做離線重放 (offline replay),此前已在小鼠和人類白天休息時得到驗證。

而人類睡眠過程中的重放還是首次被觀測到。

並且數據顯示,夜間重放的速度要比白天時要快上1-4倍

也就是說在你睡大覺的時候,你的腦子不光在自動學習白天學到的內容,還是加速學習。

而這一切你自己卻完全不知情。

你睡覺時大腦真在自動學習!首個人類實驗證據:加速1-4倍重放 - 天天要聞

任務越難,大腦越活躍

之前也有一系列研究,分別驗證了小鼠睡眠中海馬體和新皮層的神經活動可以練習走迷宮。

你睡覺時大腦真在自動學習!首個人類實驗證據:加速1-4倍重放 - 天天要聞

以及人類白天休息時類似的離線重放現象等。

你睡覺時大腦真在自動學習!首個人類實驗證據:加速1-4倍重放 - 天天要聞

將這些發現與實驗結果結合後,研究人員提出一種觀點:

重放學習可能是跨越大腦多個區域的保留機制,包括語義、導航以及運動控制系統。並進一步支持了睡眠在記憶鞏固中的作用。

除此之外,這項研究還驗證了之前的幾個重要發現:

第一,重放發生的時間主要在生物學意義上的慢波睡眠(Slow-wave Sleep),更常見的叫法是非快速眼動階段(Non-REM Stage),或者叫深度睡眠。

你睡覺時大腦真在自動學習!首個人類實驗證據:加速1-4倍重放 - 天天要聞

第二,重放活動與海馬體引起的尖波漣漪(Sharp Wave Ripple)高度相關。

尖波漣漪是神經元同步活動的快速爆發,會形成一種高頻震蕩。

你睡覺時大腦真在自動學習!首個人類實驗證據:加速1-4倍重放 - 天天要聞

△重放與尖波漣漪的關係

第三,白天練習的任務越難,睡覺時重放活動越強烈。

在未來計劃中,BrainGate聯盟的研究團隊打算系統性地改變任務難度,進行更深入的研究。

BrainGate聯盟由臨床醫生、神經科學家和布朗大學、哈佛醫學院、麻省總醫院等機構聯合發起,目標是用腦機介面技術幫助因神經疾病或損傷喪失肢體行動能力的患者。

你睡覺時大腦真在自動學習!首個人類實驗證據:加速1-4倍重放 - 天天要聞

One More Thing

既然深度睡眠階段大腦在鞏固記憶,那麼在快速眼動期(也就是做夢最多的那個階段),大腦又在做什麼?

此前Science上一篇論文解釋了這一點。

你睡覺時大腦真在自動學習!首個人類實驗證據:加速1-4倍重放 - 天天要聞

快速眼動期,海馬體中負責分泌黑色素聚集激素的MCH神經元會幫助大腦主動遺忘不重要的信息

由於做夢主要發生快速眼動期,此時MCH神經元活躍,這也是為什麼夢的內容醒來後會被忘記的原因之一。

那麼,你是否有過一覺醒來,把前一天看過的內容都記住了這種經歷呢?

論文地址:
https://www.jneurosci.org/content/42/25/5007

參考鏈接:
[1]https://neurosciencenews.com/motor-replay-sleep-20906/

[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.aba0672
[3]https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rstb.2019.0655
[4]https://www.science.org/doi/10.1126/science.aax9238

— 完 —

量子位 QbitAI · 頭條號簽約

關注我們,第一時間獲知前沿科技動態

科學分類資訊推薦

土衛二,一顆冰冷的衛星,那裡會有生命嗎? - 天天要聞

土衛二,一顆冰冷的衛星,那裡會有生命嗎?

一片神秘的地外海洋,究竟住著誰?一起來看看土衛二上的原住民!"通過卡西尼號的測量,我們知道土衛二的海洋是宜居的。我們知道那裡有液態水、能源以及碳、氫、氮、氧、磷和硫等化學物質。"圖示:土衛二噴出的冰羽流。(圖片來源:美國宇航局)新的研究表明,在土星衛星恩克拉多斯的表面有一些地方,航天器可以在那裡著陸,...
就在端午,準備觀賞! - 天天要聞

就在端午,準備觀賞!

星空有約|月亮「邂逅」星團,這幕美景別錯過端午節當天傍晚,一彎蛾眉月將與著名的蜂巢星團近距離相伴,屆時只要天氣晴好,感興趣的公眾將會目睹到這兩個不同天體上演的「親密一幕」。由於23時左右月亮才會從西方落下,因此觀賞、拍攝這一幕美景的時間比較
研究發現消失的尼羅河支流 或助解開金字塔建造之謎 - 天天要聞

研究發現消失的尼羅河支流 或助解開金字塔建造之謎

新華社北京5月21日電 研究人員日前繪製出尼羅河一條現已乾涸的支流地圖,認為它可能幫助古埃及人建造了31座金字塔,包括著名的吉薩金字塔群。研究成果由最新一期英國《通訊-地球與環境》雜誌刊載。 埃及金字塔最集中的地區是自吉薩市向南至利什特村之間的一片沙漠。那裡距離尼羅河有數十公里遠,但發現了港口遺迹。埃及學家...
2023年重慶長江幹流監測到魚類93種 珍稀特有魚類出現頻率增加 - 天天要聞

2023年重慶長江幹流監測到魚類93種 珍稀特有魚類出現頻率增加

封面新聞記者 李茂佳在國際生物多樣性日來臨之際,5月21日,重慶市生態環境局舉行重慶市生物多樣性保護情況新聞發布會。2023年,重慶長江幹流監測到魚類93種,較禁捕前增加47種。長江鱘從禁捕前監測到的7尾增加到249尾,珍稀特有魚類出現頻率增加,出現範圍擴大。新聞發布會現場。重慶市生態環境局黨組成員、副局長陳衛表示...
全球首台!我國量子測量領域取得重要突破 - 天天要聞

全球首台!我國量子測量領域取得重要突破

5月21日,全國首屆量子精密測量賦能產業發展大會,在安徽合肥舉辦。會上,全球首台商用低溫版量子鑽石原子力顯微鏡正式亮相。該顯微鏡由國儀量子技術(合肥)股份有限公司(以下簡稱「國儀量子」)自主研製,這標誌著我國量子精密測量技術的產業化發展,取得重要突破。△低溫版量子鑽石原子力顯微鏡。圖片來源:國儀量子國...
世界首次:科學家成功對 μ 子實行「冷卻」加速,約達光速 4% - 天天要聞

世界首次:科學家成功對 μ 子實行「冷卻」加速,約達光速 4%

IT之家 5 月 21 日消息,日本 J-PARC 研究中心、日本高能加速器研究機構聯合發布公報,宣布完成了業內首次對 μ 子進行「冷卻」和加速的操作,朝著實現世界首個 μ 子(渺子)加速器邁出了一大步。據介紹,研究團隊在 J-PARC 中心使帶一顆正電荷的正 μ 子減速到幾乎停止(光速的 0.002%)的狀態,並使正 μ 子的方向和速度...
氣象水文部門預測:今年「龍舟水」水情較往年略偏重 - 天天要聞

氣象水文部門預測:今年「龍舟水」水情較往年略偏重

5月20日迎來「小滿」節氣,民諺有雲「小滿小滿,江河漸滿」。進入「小滿」節氣,雨水豐盈,江河的水逐漸增多。根據廣州市水文氣象數據統計,5月20日廣州市降暴雨,其中白雲、花都、增城等區降大暴雨,全市平均日雨量74.0毫米。豆大雨點落在地面,濺起水花。圖/廣州日報新花城記者:吳子良受強降雨影響,5月20日全市江河水位...
值得收藏!《常州市野生鳥類圖冊》發布 - 天天要聞

值得收藏!《常州市野生鳥類圖冊》發布

現代快報訊(記者 陸文傑)鳥類是生物多樣性的重要指示類群,是評價生態系統健康狀況的關鍵性指標。隨著生態環境的改善,常州鳥類生境狀況大幅提升,越來越多的野生鳥類翱翔在青山綠水間,野外鳥類記錄不斷刷新,珍稀鳥類頻頻亮相。它們用翅膀為生態環境投票,實名認證了常州生物多樣性工作的豐碩成果。在5·22國際生物多樣...