人的記憶，源于大腦。大腦通過電生理信號(hào)、突觸活動(dòng)與神經(jīng)回路的動(dòng)態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)記憶的儲(chǔ)存與回現(xiàn)。有趣的是，在人的一生中，記憶總是不斷產(chǎn)生的，這就提出了一個(gè)關(guān)鍵的問題——當(dāng)新的記憶產(chǎn)生時(shí)，先前的記憶為什么不會(huì)被扭曲和覆蓋？
2025年1月1日，康奈爾大學(xué)的博士生常宏宇和博士后唐文博作為共同第一作者，在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Sleep micro-structure organizes memory replay 的研究論文。
該研究揭開了大腦如何避免災(zāi)難性的記憶沖突和遺忘的神經(jīng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了一種以瞳孔大小為介定標(biāo)準(zhǔn)的全新睡眠結(jié)構(gòu)，通過不同瞳孔大小來調(diào)節(jié)不同睡眠子狀態(tài)下的記憶重演來幫助動(dòng)物鞏固新舊記憶，從而防止新舊記憶之間的沖突和混亂。
這項(xiàng)研究揭示了瞳孔是理解大腦如何以及何時(shí)形成強(qiáng)大持久記憶的關(guān)鍵，這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)為人類帶來更好的記憶增強(qiáng)技術(shù)，并可能幫助計(jì)算機(jī)科學(xué)家訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，幫助 AI 模型避免災(zāi)難性遺忘（catastrophic forgetting），使其更高效。
隨著人工智能（AI）技術(shù)的興起，科學(xué)家們正在嘗試?yán)盟惴▉砟M人類的記憶。然而，與電子設(shè)備中的數(shù)字存儲(chǔ)不同，人類的記憶源自于大腦神經(jīng)元的復(fù)雜相互作用。因此，生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)面臨的一個(gè)難題是新舊記憶之間的干擾，這可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性遺忘（catastrophic forgetting）。
值得注意的是，早在上個(gè)世紀(jì)，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)，睡眠與記憶密切相關(guān)。在睡眠期間，大腦會(huì)回放最近的經(jīng)歷，參與同一種經(jīng)歷的神經(jīng)元以相同的順序放電。這種機(jī)制有助于將經(jīng)歷固化為記憶，并為長(zhǎng)期儲(chǔ)存做好準(zhǔn)備。
最初的記憶鞏固僅限于海馬體，然后逐漸轉(zhuǎn)移到大腦皮質(zhì)，在那里記憶與已有的知識(shí)整合。海馬體的記憶鞏固發(fā)生在非快速眼動(dòng)（NREM）睡眠期間，銳波波紋（SWR）中與經(jīng)歷相關(guān)的神經(jīng)元模式被激活。然而，有研究表明，海馬體在最初獲得（即學(xué)習(xí)）記憶后的幾天內(nèi)繼續(xù)重新激活記憶。因此，在重新轉(zhuǎn)移到皮層之前，新整合的信息尤其脆弱，有受到干擾的風(fēng)險(xiǎn)。
在這項(xiàng)最新研究中，為了探究睡眠期間的大腦記憶功能，研究團(tuán)隊(duì)利用了小鼠的一個(gè)怪癖：它們的眼睛在睡眠的某些階段是部分睜開的。研究團(tuán)隊(duì)在每只小鼠睡覺的時(shí)候監(jiān)測(cè)它的一只眼睛。在深度睡眠階段，研究團(tuán)隊(duì)觀察到瞳孔先是縮小，然后又反復(fù)恢復(fù)到原來的更大的大小，每個(gè)周期大約持續(xù)一分鐘。神經(jīng)元記錄顯示，大腦對(duì)經(jīng)歷的大部分回放發(fā)生在瞳孔縮小的階段。
瞳孔振蕩擴(kuò)張揭示了自然睡眠微結(jié)構(gòu)
這使得研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究瞳孔大小和記憶處理的聯(lián)系。為了找到答案，他們使用了光遺傳學(xué)技術(shù)，首先，研究團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練轉(zhuǎn)基因小鼠尋找隱藏在平臺(tái)上的甜食。在這些訓(xùn)練結(jié)束后，當(dāng)小鼠入睡時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)使用光遺傳學(xué)方法減少了與回放相關(guān)的神經(jīng)元放電——他們?cè)谛⊥缀痛笸姿唠A段進(jìn)行了一系列排列組合的處理。
研究團(tuán)隊(duì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)減少小瞳孔階段的神經(jīng)元放電時(shí)，小鼠在喚醒后會(huì)完全忘記食物的位置，表明他們成功在小鼠大腦中將這一記憶清除掉了。與之相對(duì)，當(dāng)減少大瞳孔階段的神經(jīng)元放電時(shí)，小鼠仍然保留食物位置的記憶。
在睡眠的小瞳孔階段中光遺傳破壞SWR選擇性地破壞近期記憶
不僅如此，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，大瞳孔睡眠階段也有自己的功能——它有助于處理已建立的記憶。這些記憶是在實(shí)驗(yàn)前幾天形成的“舊記憶”，而不是實(shí)驗(yàn)當(dāng)天形成的“新記憶”。
論文通訊作者 Azahara Oliva 教授表示，在睡眠期間，大腦在大瞳孔階段保存了舊記憶，但在小瞳孔階段下整合了新記憶，這個(gè)兩階段的時(shí)空劃分是大腦實(shí)現(xiàn)吸收新記憶，同時(shí)又保持舊記憶完整的解決方案。
小瞳孔和大瞳孔階段中不同的輸入和局部回路特性
總的來說，這項(xiàng)發(fā)表于 Nature 的最新研究開發(fā)了一種同時(shí)利用電生理學(xué)、閉環(huán)光遺傳學(xué)和瞳孔測(cè)量的方法來監(jiān)測(cè)自由行為和睡眠小鼠的大腦狀態(tài)動(dòng)態(tài)，以揭示睡眠和記憶回放的時(shí)間組織。這些結(jié)果表明，大腦可以在睡眠期間多路復(fù)用不同的認(rèn)知過程，以促進(jìn)不受干擾的持續(xù)學(xué)習(xí)和記憶功能。
值得一提的，災(zāi)難性遺忘還會(huì)影響人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這是一種以大腦為模型的算法，是當(dāng)今許多人工智能（AI）工具的基礎(chǔ)。因此，對(duì)大腦如何避免災(zāi)難性遺忘的深入研究可能會(huì)激發(fā)出幫助 AI 模型避免這一問題的算法，或?qū)⒋龠M(jìn) AI 技術(shù)的新發(fā)展。
參考鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08340-w
https://www.nature.com/articles/d41586-024-04232-1
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