首次直接证据揭示大脑睡眠“回放”运动记忆 新线索有助于开发脑机接口

【字体: 时间:2022年06月24日 来源:JNeurosci

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  一项新的研究首次提供了人类运动皮层在睡眠时回放的证据,有助于解释人类是如何形成记忆和学习的,研究结果发表在《神经科学杂志》

  

我们为什么要睡觉?科学家们已经就这个问题争论了几千年,但马萨诸塞州总医院(MGH)的研究人员与布朗大学、退伍军人事务部和其他几家机构的同事合作进行了一项新研究,为解决这个谜题提供了新的线索。他们的研究结果发表在《神经科学杂志》上,可能有助于解释人类是如何形成记忆和学习的,并可能最终帮助受神经疾病或损伤影响的人开发辅助工具。

研究实验室动物的科学家很久以前就发现了一种被称为“回放”的现象,MGH神经技术和神经恢复中心的神经学家丹尼尔·鲁宾博士是这项研究的主要作者。“回放”被认为是大脑用来记忆新信息的一种策略。在研究中,如果训练一只小鼠在迷宫中找到路,当它穿过正确的路线时,监测设备可以显示大脑细胞或神经元的特定发光模式。稍后当动物睡觉时,可以看到这些神经元会再次以同样的顺序放电。科学家们认为,睡眠中神经元放电的回放是大脑练习新学到的信息的方式,这使得记忆得以巩固——也就是说,从短期记忆转化为长期记忆。

然而,这种回放只在实验室动物身上得到了令人信服的证明。在神经科学领域有一个悬而未决的问题:关于我们如何学习的模型在人类中适用到什么程度?”对于不同的学习方式也是如此吗?

了解运动技能的学习过程中是否会发生回放,有助于指导神经疾病和损伤患者开发新的疗法和工具。为了研究人类运动皮层(控制运动的大脑区域)是否会重现,研究人员招募了一名36岁四肢瘫痪的男子参加一项脑机接口设备的临床试验——他由于脊髓损伤而无法移动自己的上肢和下肢。该设备由BrainGate联盟开发,能让他在屏幕上使用电脑光标和键盘。BrainGate联盟包括多个机构的临床医生、神经科学家和工程师,目标是创造技术为患有神经疾病、损伤或肢体丧失的人恢复沟通、行动和独立性。该联盟由布朗大学MGH和退伍军人事务部的Leigh R. Hochberg医学博士和博士指导。

在这项研究中,该男子被要求执行一项类似于电子游戏《西蒙》的记忆任务,在这个游戏中,玩家观察一种彩色闪光的模式,然后必须回忆并重现这个序列。他仅仅通过思考自己手的动作来控制电脑屏幕上的光标。植入受试者运动皮层的传感器测量了神经元放电的模式——这反映了他想要的手部运动——并让他能够(用意志)在屏幕上移动光标,在他想要的位置点击它。这些大脑信号被记录下来,并通过无线传输到电脑上。

当天晚上,受试人在家睡觉时,他的运动皮层的活动被记录下来,并无线传输到一台电脑上。“我们的发现非常不可思议,”研究人员表示。“他基本上是在睡梦中玩了一整晚的游戏。”Rubin说,在某些情况下,受试人在睡眠期间的神经元放电模式与他当天早些时候进行记忆匹配游戏时发生的模式完全匹配。“这是人类睡眠时运动皮层回放的最直接证据。”研究中检测到的大部分回放发生在慢波睡眠期间,即深度睡眠阶段。有趣的是,当受试人处于快速眼动睡眠(这个阶段通常与做梦联系在一起)时,重放不太能被检测到。作者认为这项工作为进一步了解回放及其在人类学习和记忆中的作用奠定了基础。

“我们的希望是,我们可以利用这些信息来帮助建立更好的脑机接口,并提出一种模式帮助人们在受伤后更快、更有效地学习,以便重新获得控制能力,”另一作者指出将这一研究方向从动物转移到人类研究对象的意义。“这种研究从我们与参与者的密切互动中受益匪浅,”他特别感谢受试人和BrainGate临床试验的其他参与者。“BrainGate参与者不仅为创建一个恢复沟通和行动的系统提供了有益的反馈,而且他们也给我们提供了一个难得的机会来推进基本的人类神经科学——了解人类大脑是如何在单个神经元的回路水平上工作的,并利用这些信息来构建下一代恢复性神经技术。”


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