深度睡眠強化了對運動技能的學習

一夜好眠的好處已經廣為人知，現在加州大學舊金山分校的神經科學家們發現，在深度睡眠的過程中，動物大腦強化了運動技能。

研究人員發現在非快速眼動睡眠期間，緩慢的腦電波會增強神經接觸點，這些神經接觸點直接與一項新發現的任務有關，而這一任務是在醒著的時候才剛剛學會的，而神經聯繫卻在減弱。

圖片：University of California, San Francisco

這一現象可能與『提取如何執行一項新任務的要點』有關，」神經病學副教授、醫學博士Karunesh Ganguly博士說睡眠似乎減少了與我們正在學習的任務無關的神經活動。

對於睡眠如何影響學習的機制，有一個更好的處理方法，可以導致新的醫療刺激裝置，以及消費者驅動的可穿戴設備，即刺激腦細胞和提高學習能力的「電學」。一些初創公司的設備正朝著這個方向發展，但到目前為止，它們的設計目的是在我們清醒的時候刺激大腦。

精神控制

Ganguly的研究小組使用了一種叫做「腦機介面(BMI)」的系統來更好地了解大腦在睡眠過程中如何吸收新技能。

研究人員將電極植入大鼠大腦的運動區域，將電信號發送給計算機，然後驅動一個分離的機械裝置的運動。因為神經迴路是動態的，老鼠的大腦就會像他們一樣迅速地控制這個裝置，就像老鼠在練習控制自己肢體的新方法一樣。

人們認為BMIs或神經修復術是殘疾人士重新行走或控制機械手臂的一種方式，博士後學者新研究的主要作者Tanuj Gulati博士說雖然這是最終的目標，但我們也在用它們來理解大腦中的學習過程。

一個特定的神經元通常可以用來控制肢體，但是我們可以用一個外部無實體的裝置來建立神經元的新關係。在這種情況下，重定向神經元將快速地幫助控制外部設備，然後研究人員可以追蹤這個神經元的活動，以了解大腦是如何整合這個新的關聯的。

在《自然神經科學》(Nature Neuroscience)雜誌上發表的一篇論文中，Gulati和他的同事將老鼠大腦中的神經元連接到植入電極上，而電極則控制著一個機械的水龍，水的來源是在一扇小的門後面，面對著老鼠。

圖片：University of California, San Francisco

因為噴口的表面，老鼠必須學會使用計算機驅動的機制將其移動到他們身上。當老鼠探索出一些控制噴口的策略時，其中一些策略包括明顯的運動，它們有時會激活與電極相鄰的神經元。當適當的神經元被激活時，計算機將水龍捲移動。

最終老鼠們學會了從壺嘴中挖掘出實際的動作——他們知道他們真的不需要再去動他們的手臂或者做任何事情來讓它移動。他們所要做的就是從理論上控制管道，然後它就會到達他們那裡。

睡眠拋光布線

通過監測老鼠在完成這個學習過程時的大腦，研究小組接下來可以探究睡眠是否在幫助建立老鼠新形成的神經連接方面發揮了作用。一旦老鼠在清醒的時候掌握了任務的竅門，某些神經模式就會在睡眠過程中繼續『重玩。

這些相同的模式在老鼠醒來後依然存在，從而導致老鼠在任務上的表現得到改善。更重要的是，當老鼠在睡覺後重新進行測試時，沒有必要的神經活動已經消失了。

睡眠對於基本代謝維持和記憶處理是很重要的，但大多數此類研究都涉及睡眠剝奪。雖然完全取消睡眠會影響記憶力，但它也會導致大量的生理變化，例如，壓力荷爾蒙皮質醇的增加，或焦慮——所有這些都可能導致記憶力下降。

為了解決這個問題，加州大學舊金山分校的研究小組採用了一種微妙的干預手段來揭示睡眠對成功學習的貢獻。利用光遺傳學即一種利用光來打開或關閉神經元的工具，科學家能夠在老鼠熟睡的時候抑制大腦一個小區域的神經活動。因為光基因操作的目標是精確的，所以在結構和睡眠的數量上沒有變化，只是在靶向腦細胞的發射模式上有一個相對較小的調整。

這些實驗表明在睡眠過程中，微妙地改變神經放電，擾亂了關鍵的計算，並消除了早期觀察到的學習優勢。

研究結果證實，睡眠中確實有與任務相關的神經模式，這使他們在睡眠後能夠在提高運動能力的情況下生存。特別是這是第一個證明神經重新激活和變弱，強化和弱化在深度睡眠時發生的證據。

這項研究表明你不能忽視睡眠，不管你是在試圖在神經損傷後試圖重新獲得運動控制的患者，還是想要學習一項新技能的健康的人。

參考期刊： 自然神經科學

來自：加州大學舊金山分校

編譯：雙螺旋

審校：博科園

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