好的睡眠是健康的重要标志。其实睡眠并不是简单休息，而是大脑完成重要工作的一部分。科学家认为，大脑在睡眠期间，对某些记忆进行重新组合，留下重要信息，把日常非重要信息过渡掉。为次日更好地完成工作做好准备。所以，要学习好，睡眠好是重要的条件。

How sleep shapes what we remember—and forget | PNAS

人人都需要睡眠。缩短自己几个晚上失眠，你会招致严重后果，不仅会使感官迟钝，而且需要在以后更长的报复性睡眠“恢复”。当我们睡觉时，大脑并不是真正休息，其实有非常重要的工作要做。其中最重要的任务之一是：根据我们在清醒时所经历的一切创造持久记忆。所以说，要获得理想记忆，睡眠是不可缺少的。

一个多世纪以来，科学家们一直怀疑睡眠可以改善对最近获得的信息的回忆，甚至可以提高新学习任务的表现。数十年的研究试图将睡眠期间大脑活动的大规模模式与记忆存储机制联系起来。许多研究结果表明，睡眠在重新审视清醒经历并将其巩固为长期记忆方面发挥着积极作用。

但为了更好地了解睡眠的作用，研究人员正在仔细研究单个神经元如何交流，以及是什么塑造了长期记忆回路中的信息流和编码。研究开始确定调整这些回路中突触强度的分子和细胞过程。突触强度的变化可能是大脑选择性地将一些信息从短期经验转换和转移到长期存储的能力的基础，而忘记了其他一切。与此同时，一些记忆在没有睡眠的情况下形成更好的证据正在引导神经科学家重新考虑关于睡眠在记忆形成中的作用的长期假设。综上所述，这些研究开始改变人们对睡眠大脑的看法，以及记忆的意义。

在细胞水平，记忆在大脑中被表示为神经元的集合，这些神经元倾向于根据它们在突触上的连接方式共同放电，一个神经元的轴突之间的电化学连接，传递信息，另外一些神经元的树突接收这些化学信息。“我们谈论的是代表，该特定途径将被激活并产生特定体验，行为或图像的可能性，”巴西北里奥格兰德联邦大学脑研究所的神经科学家Sidarta Ribeiro说。回忆记忆可以通过增加神经元或突触的数量来加强电路；另一方面，随着突触的减弱或丢失，不活跃的记忆会随着时间的推移而消失。于是，遗忘就发生了。

深入了解记忆内存整合并不是一件简单的事情。许多关于睡眠和记忆的研究都依赖于用脑电图（EEG）测量颅骨外的神经活动。EEG振荡反映了大群神经元的同步放电 - 在大振幅，低频慢振荡的情况下，数千甚至数十万。很难从脑电图推断特定神经回路的活动。然而，这些振荡可以粗略地映射到一般的大脑区域，因此研究人员已经使用它们来探索整合来自短期记忆网络（例如海马体）的信息所需的神经处理，并将其移动到大脑的某些部分，在那里它可以在更长的时间内存储和访问。

“巩固过程开始时的记忆在很大程度上锚定在海马网络中，在这个过程结束时，它主要存在于新皮层网络中，”德国蒂宾根大学的神经科学家Jan Born说。在此过程中，它经历了研究人员仍在努力理解的转变。

新的记忆富含上下文线索，例如体验的时间、地点和感官细节；在这个阶段，神经科学家经常将它们称为“偶发性”。随着时间的推移，随着记忆被编码到大脑皮层中，许多空间和时间细节都会消失。剩下的是代表内存基本核心的元素。例如，在学习如何驾驶时，转向和制动所需的动作至关重要。

Born说，大脑如何实现这种转变在很大程度上仍然未知。其中一些可能是由大脑有限的存储容量和压缩保存的信息的需要驱动的。但对Born来说，这种转变表明睡眠在记忆中的作用不仅仅是被动存储。相反，他设想了一个更积极的整合过程，提取关键信息并形成整体内存的通用版本，以后可以访问并应用于相关情况。“我们称之为要点信息或模式信息，”Born说。由于忘记了许多细节，“这是原始记忆的抽象版本。”

事实上，遗忘 - 通过突触的减弱或丢失 - 似乎在记忆巩固过程中起着关键作用，特别是在睡眠期间。

“我们最好忘记一天中所做的大部分事情，”威斯康星大学麦迪逊分校的神经科学家Chiara Cirelli说。记住新信息需要创建新的神经元连接或加强现有连接，这两者都会导致更多的神经元放电。但Cirelli指出，神经元放电需要大量的能量，而且日复一日地保持神经活动水平是不可持续的。最终，突触无法变得更强，大脑也不会编码新信息。实际上，在不忘记的情况下，神经元回路会饱和，使其无法学习。忘记是为了给新记忆留下空间。

更重要的是，一天中发生的许多偶然学习有助于我们驾驭我们的直接环境，但几乎没有长期的适应性价值。“今晚，如果我问你今天做了什么，你非常善于记住所有可能的，非常无聊的细节，”她说。“但过几天，他们就走了，因为谁在乎这些细节呢？”你确实没有必要记住每天晚餐吃过什么，喝过什么。

Cirelli认为，睡眠是造成这种不重要记忆剔除的主要原因。在2000年代初期，她和她的长期合作者朱利奥·托诺尼（Giulio Tononi）也在威斯康星大学麦迪逊分校（UW-Madison）假设睡眠会导致突触的广泛减弱或重新正常化。全面降低神经活动可以清除白天形成的不太重要的突触连接的混乱。通过这种方式，忘记小东西可以提高更强电路的信噪比，并帮助我们的大脑抓住重要信息。“突触重整化，”Cirelli说，“对于大脑继续工作至关重要......以高效和可持续的方式。

这表明大脑活动应该在睡眠过程中下降。事实确实如此，正如早期睡眠阶段看到的主要脑电图振荡幅度减小所证明的那样。使用电子显微镜，Cirelli和Tononi还测量了睡眠后小鼠皮层中单个突触大小的减少，这一趋势与神经元之间的较弱连接有关。

然而，学习可能有助于应对这种变化。Cirelli的小组追踪了小鼠体内数百个单独的树突棘上的突触，这些小鼠被教导在具有不均匀分布的梯级的轮子上运行。清醒时学习相关变化最大的10%突触在睡眠期间受影响最小。“在清醒期间经常放电的神经元在睡眠期间也一样，”Cirelli说。这种协调的活动会产生强大的突触，可以保护它们免受睡眠期间削弱较弱突触的机制的影响。

还有证据表明，一些突触不仅在缩小规模时幸免于难，而且得到加强。纽约大学的Wen-Biao Gan小组发现，一些皮质突触的形成和持久性实际上是由运动学习任务后的非REM睡眠增强的。

Cirelli说，这些发现表明，睡眠提供了一种普遍的平静，减少了大脑的能量需求，并为第二天的学习腾出了空间。与此同时，强大的突触和高活性的回路——比如那些由新学习形成的回路——可以在巩固中脱颖而出。

反过来，这表明与睡眠相关的细胞和分子变化调整突触连接的强度可能对长期记忆的形成很重要。许多研究工作都集中在与不同睡眠阶段和脑电图振荡类型相关的这些变化上。

哺乳动物的睡眠具有不同的阶段，其特征是特定的脑电图模式。这些包括全脑缓慢振荡（频率小于1 Hz），海马体中的尖波波纹（100-300 Hz）和纺锤体（10-15 Hz），这与连接丘脑和皮层的回路中神经元的放电有关。睡眠开始时，大脑进入非快速眼动（非快速眼动）阶段。在非快速眼动睡眠期间，缓慢的振荡席卷大脑的大面积区域，被纺锤体的膨胀和尖锐的波纹爆发所打断。随后是一段时间的快速眼动（REM）睡眠，其同名眼球运动的特征性爆发和4-8 Hz左右的低振幅θ振荡。大脑在整个睡眠期间都会在这些阶段循环，慢波、非快速眼动睡眠在凌晨占主导地位，而快速眼动睡眠在晚点占主导地位。

非快速眼动睡眠的相对安静可能有助于远程大脑交流和信息处理，加州大学欧文分校的认知科学家Sara Mednick说。

虽然大多数关于睡眠振荡的研究只寻找相关性，但她的研究小组已经探索了不同大脑区域的脑电图活动之间的因果关系。在大多数非快速眼动睡眠期间，整个大脑的协调性很弱。但Mednick的小组在脑电图信号中发现了两个狭窄的窗口，当大脑区域之间的通信“超出图表”时，她说：就在缓慢振荡最安静的部分之前和之后。这些长距离协调的窗口似乎代表了大脑前部和后部之间信息流的峰值;协调性越强，睡眠后记忆测试的表现就越好。

结果也意味着在大多数非快速眼动睡眠期间相对缺乏沟通“有一些非常重要的事情”，Mednick说。它提供了一个安静的背景，在这个背景下，缓慢的振荡驱动的信息流脱颖而出，可能促进内存整合。

不过，可能还有更多。记忆巩固也可能涉及由主要振荡类型之间的相互作用引起的生理变化。然而，迄今为止，将脑电图测量与特定的细胞和亚细胞变化联系起来非常困难。

然而，Seibt，Born和其他人越来越多地发现了睡眠纺锤体的新兴作用。这些振荡与局部皮质回路的更强活动和更好的记忆任务表现有关，这表明纺锤体可以作为两者之间的联系。纺锤体活动与钙流入皮质神经元相关，这可能反过来触发加强或调整突触。

研究人员也在采取早期措施，将这种神经活动与特定的下游效应联系起来。例如，Ribeiro正在寻找与纺锤体活动相关的蛋白质变化。他的团队已经确定了数十种蛋白质修饰，其水平在从非REM到REM睡眠的过渡期间与富含纺锤体的时代成比例变化，其中包括几种与钙流和学习有关。Ribeiro对一种名为Cacna2d1的蛋白质特别感兴趣，这种蛋白质在非REM慢波睡眠结束时在海马体中下调，但不是皮层。Ribeiro说，这种模式可以为记忆提供基础，使其在海马体开始接触皮层时脱离海马体。

尽管到目前为止，这些关联只是相关的，但Ribeiro认为它们支持一种模型，在该模型中，慢波睡眠结束时的纺锤体会引发一系列事件，这些事件在接下来的几个小时内在记忆回路中展开：钙内流触发蛋白质的变化，进而激活对调整突触强度很重要的遗传和分子级联。他将纺锤体比作传递跑步者，他们携带的信息就像指挥棒一样，他们在非快速眼动睡眠中的神经活动传递到快速眼动睡眠中的分子级联。结果，记忆中的经历被硬编码到皮质神经元的突触结构中，因此即使不定期访问记忆，记忆也可以持续存在。

该模型还可以帮助解释不同睡眠阶段在记忆形成中的不同作用。非快速眼动睡眠已被证明对于巩固陈述性记忆（基于信息回忆的记忆）非常重要，而快速眼动睡眠似乎在程序性或基于任务的记忆中起着更大的作用。Ribeiro认为这可能与所需的突触变化程度有关。对于陈述性记忆，大多数基础学习已经发生;记住一个新事实可能只需要突触强度的微小变化。相比之下，程序性记忆需要大量的突触变化。“如果你想学习如何骑自行车，或者如何玩卡波耶拉......这不像学习一个新名字，“里贝罗说。“这是数周，数月，数年的工作。因此，看起来REM睡眠对于进行这种长期持续的突触变化是非常必要的。

了解睡眠期间支撑记忆巩固的分子变化也可能有助于阐明长期记忆形成中的其他因素。研究人员已经报告了一些意想不到的发现，这些发现使睡眠 - 记忆连接复杂化。

玻恩的最新研究表明，一些记忆巩固并不依赖于睡眠。在一项实验中，向大鼠展示了一个不熟悉的物体，然后要么被允许睡觉，要么保持清醒。然后，研究人员在一周后测试了大鼠对该物体的回忆。正如基于先前实验所预期的那样，在相同环境中进行测试时，大鼠在睡眠后表现出比清醒后更好的回忆。但令Born惊讶的是，当在一个新的地方对老鼠进行测试时，在最初的学习课程后保持清醒的动物比那些睡觉的动物表现得更好。即使研究人员在初始学习和测试之间阻止海马体的活动，他们也这样做了。结果：大脑中可能存在多种记忆巩固模式，其中一些不涉及海马体。

基于这些结果，Born认为是时候更广泛地看待记忆是如何形成的了，睡眠起着关键的作用，但不是排他性的作用。“一般来说，睡眠不是用来巩固记忆的，”玻恩说。“不——睡眠会引起某种巩固，从而产生某种记忆。更详细的研究 - 包括对所涉及的分子参与者的更广泛了解 - 可能有助于确定睡眠在记忆存储中的特定作用。

这些研究还可以阐明其他身体因素的作用，例如强烈的情绪，压力和创伤，这些因素已知会影响记忆的形成。例如，宾夕法尼亚大学的分子生物学家阿米塔·塞加尔（Amita Seghal）在果蝇中发现了神经回路，可以在清醒时驱动记忆巩固 - 但只有在苍蝇饥饿时。Mednick现在正在研究自主神经系统的记忆相关影响，它控制着不自主的生理过程，如心率，呼吸和消化。“编码过程中身体中发生的事情对于大脑如何决定[它存储]的记忆非常重要，”她说。她的小组发现有证据表明，在某些情况下，睡眠期间自主神经活动的测量可能比单独的脑电图信号更好地反映记忆表现。

通过更好地了解睡眠的各个阶段和其他身体节律如何相互作用，研究人员还可以确定支持健康记忆巩固的最佳模式。在她的新书《下州的力量》中，梅德尼克讨论了反复出现的安静期（如慢波睡眠）的重要性，以补充我们的能量和身体资源，为更活跃的状态做准备。她在最近的一次演讲中说，非快速眼动睡眠的慢波阶段“是你能得到的最具恢复性的睡眠”，而且由于无论我们什么时候碰到枕头，快速眼动睡眠每晚大约在同一时间开始，“你想尝试早点睡觉 - 因为它确保你在快速眼动发作之前获得足够的慢波睡眠。

毕竟，这样的发现可以证明古老的格言“早睡早起......”的说法。即便如此，很明显，改善记忆力的有针对性的睡眠干预尚未实现。

玻恩说，人们“总是想听到”睡眠对你的记忆力非常有益。“嗯，事情没那么简单，”他补充道。相反，不同的大脑状态可能会产生不同类型的记忆，并且这些大脑状态中的每一种都可能对大脑和个人具有某些类型的适应性功能。Born说，关键的下一步将是关注这些大脑状态到底做了什么。