據說(shuō)，人的一生有三分之一都在睡眠中度過(guò)，而睡眠中各種光怪陸離的“夢(mèng)境”時(shí)常帶著(zhù)神秘。千百年來(lái)，無(wú)數人都試圖解析“夢(mèng)境”背后的意義，更有甚者相信通過(guò)夢(mèng)境可以預測未來(lái)，從我國“周公解夢(mèng)”的流傳程度便可見(jiàn)一斑。
而在現代生物科學(xué)研究中，腦科學(xué)研究是最為神秘的一個(gè)研究領(lǐng)域，目前世界各國都相繼推出了自己的腦科學(xué)計劃，都試圖在破解人類(lèi)大腦之謎中走在前列。那么，面對大腦每天產(chǎn)生的各種“夢(mèng)境”，如何用現代科學(xué)去解析“夢(mèng)境”的發(fā)生發(fā)展和功能是腦科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
圖1 標題
休息時(shí)“復盤(pán)”是我們現在經(jīng)常聽(tīng)到的一種學(xué)習方法，通過(guò)回憶總結過(guò)去經(jīng)歷的得失從而進(jìn)行學(xué)習提高。這個(gè)過(guò)程反映的是我們的大腦在沒(méi)有接收持續的新刺激時(shí)，可能會(huì )通過(guò)重新激活以往的記憶神經(jīng)元來(lái)進(jìn)行學(xué)習。這個(gè)過(guò)程經(jīng)常發(fā)生在我們走神、發(fā)呆、白日夢(mèng)或者睡眠期間?，F代腦科學(xué)研究已經(jīng)在海馬體、杏仁核、前額皮質(zhì)、視覺(jué)皮層和大腦其他地方都觀(guān)察到了這些腦部行為背后神的經(jīng)元變化。
然而，以往關(guān)于這種大腦在休息中“復盤(pán)”機制的研究?jì)H僅涉及到幾十到幾百個(gè)神經(jīng)元，而重新激活與之前刺激之間的異同點(diǎn)仍然是未知的。為了解決上述問(wèn)題，12月13日國際頂級期刊《Nature》在線(xiàn)發(fā)表了哈佛醫學(xué)院Andermann教授團隊的最新研究成果，他們通過(guò)記錄大腦視覺(jué)皮層中的6900個(gè)神經(jīng)元在幾天內的活動(dòng)，探究了關(guān)于大腦視覺(jué)皮層的刺激和重新激活的機制，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是探究了我們在圖片不經(jīng)意間走神時(shí)的腦神經(jīng)變化。
圖2安靜醒來(lái)時(shí)外側視覺(jué)皮層的分布式刺激再激活
首先，研究人員探究了實(shí)驗鼠腦部皮層神經(jīng)元的激活分布模式。8只小鼠被固定并每天給與 64 種視覺(jué)刺激中隨機兩種（S1和S2），并通過(guò)病毒注射鈣指示劑對神經(jīng)元進(jìn)行鈣成像，結合觀(guān)察結果和統計分析表明橫向視覺(jué)皮層刺激再激活參與了這個(gè)過(guò)程，并且沒(méi)有大腦或眼球運動(dòng)的增加，而這些有助于刺激重新激活的神經(jīng)元均勻分布在四個(gè)橫向視覺(jué)皮層區域。在刺激呈現和刺激重新激活期間，每個(gè)區域和深度的活動(dòng)水平相似。并且，研究人員發(fā)現數千個(gè)神經(jīng)元的成像提高了捕獲刺激重新激活的靈敏度。而當隨機使用10%的神經(jīng)元進(jìn)行實(shí)驗時(shí)，超過(guò)三分之二的已識別的重新激活被遺漏，并且假陽(yáng)性重新激活的比率也隨之增加。
圖3呈現 S1 或 S2 后 S1 和 S2 重新激活的單會(huì )話(huà)光柵圖
圖片此外，研究人員還觀(guān)察到小鼠整個(gè)訓練過(guò)程中刺激重新激活率的不斷下降，這表明神經(jīng)元的重新激活率可能與最近接觸刺激的頻率成反比。并且，研究人員發(fā)現刺激新穎性與刺激周?chē)鷨拘言谡{節重新激活率中發(fā)揮重要作用。進(jìn)一步地，研究人員探究了上述變化是否需要參與重新激活的相同皮層神經(jīng)元在先前的刺激呈現期間處于活動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)光遺傳學(xué)方法抑制小鼠外側視覺(jué)皮層成像區域的興奮性神經(jīng)元的刺激誘發(fā)活動(dòng)，研究人員發(fā)現這種抑制極大降低了隨后的刺激再激活率和感覺(jué)偏差。因此，感覺(jué)體驗期間的局部皮層活動(dòng)對于隨后出現的偏向重新激活是必要的。
圖4 刺激反應模式的漸進(jìn)分離與重新激活率相關(guān)
之前的研究表明，這種神經(jīng)元的的重新激活模式可能在記憶鞏固和學(xué)習中發(fā)揮作用。盡管已知視覺(jué)皮層反應模式會(huì )隨著(zhù)重復呈現而逐漸變化，但重新激活與此過(guò)程的關(guān)系仍不清楚。通過(guò)使用相鄰 S1 和 S2 單試驗響應模式之間的 Pearson 相關(guān)性分析，ROICaT成像等方法研究人員發(fā)現在整個(gè)試驗中，外側視覺(jué)皮層刺激、表征的演變與刺激特異性重新激活的速率密切相關(guān)，這表明重新激活與隨后的反應模式正交化之間可能存在關(guān)系。
圖5 重新激活預測代表性漂移
最后，研究人員想要探究一下這種神經(jīng)元的重新激活是否能夠預測未來(lái)的刺激發(fā)生，研究人員將每個(gè)模式投影到會(huì )話(huà)中早期和晚期試驗之間刺激誘發(fā)的群體活動(dòng)變化的軸上。結果發(fā)現從早期試驗到晚期試驗，刺激反應模式和刺激重新激活模式會(huì )出現相對應的演變，并且這種預測的刺激重新激活模式在整個(gè)試驗中十分穩定。此外，研究人員還發(fā)現這種預測不僅可以預測日內表征漂移，還可以預測全天漂移。而對早期刺激誘發(fā)反應和早期重新激活的活動(dòng)模式之間的對比分析表明這種神經(jīng)元重新激活的速率和模式對于預測刺激誘發(fā)反應模式的未來(lái)內容和變化率十分重要。此外，研究人員通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的啟發(fā)式模型證明了這種刺激的重新激活足以預測未來(lái)刺激誘發(fā)的反應模式漂移的性質(zhì)和速率。
上文佶屈聱牙講了半天，可能很多讀者看的云里霧里。下面我們用通俗易懂的語(yǔ)言再總結下全文：
這篇頂級研究讓我們再次看到了大腦的神奇之處，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們過(guò)往的經(jīng)歷所產(chǎn)生的刺激會(huì )留在我們大腦中，當我們在發(fā)呆，小憩或者白日夢(mèng)時(shí)，這些刺激會(huì )重新在我們大腦中出現進(jìn)而塑造大腦的認知、學(xué)習和記憶，并且這些新產(chǎn)生的大腦變化是可以被預測的，某種程度上可以達到：預知夢(mèng)的效果！而這背后的生物學(xué)機制，正是本文的標題：皮質(zhì)重新激活預測未來(lái)的感覺(jué)反應。
看完本文，是不是感覺(jué)自己走神、發(fā)呆，小憩或者白日夢(mèng)還挺有科學(xué)依據的？？
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