人的記憶，源于大腦。大腦通過(guò)電生理信號、突觸活動(dòng)與神經(jīng)回路的動(dòng)態(tài)變化來(lái)實(shí)現記憶的儲存與回現。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(wèn)題——當新的記憶產(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(kāi)了大腦如何避免災難性的記憶沖突和遺忘的神經(jīng)機制，發(fā)現了一種以瞳孔大小為介定標準的全新睡眠結構，通過(guò)不同瞳孔大小來(lái)調節不同睡眠子狀態(tài)下的記憶重演來(lái)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。
這項研究揭示了瞳孔是理解大腦如何以及何時(shí)形成強大持久記憶的關(guān)鍵，這一發(fā)現可能會(huì )為人類(lèi)帶來(lái)更好的記憶增強技術(shù)，并可能幫助計算機科學(xué)家訓練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，幫助 AI 模型避免災難性遺忘（catastrophic forgetting），使其更高效。
隨著(zhù)人工智能（AI）技術(shù)的興起，科學(xué)家們正在嘗試利用算法來(lái)模擬人類(lèi)的記憶。然而，與電子設備中的數字存儲不同，人類(lèi)的記憶源自于大腦神經(jīng)元的復雜相互作用。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 )導致災難性遺忘（catastrophic forgetting）。
值得注意的是，早在上個(gè)世紀，科學(xué)家們就發(fā)現，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。這種機制有助于將經(jīng)歷固化為記憶，并為長(cháng)期儲存做好準備。
最初的記憶鞏固僅限于海馬體，然后逐漸轉移到大腦皮質(zhì)，在那里記憶與已有的知識整合。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）記憶后的幾天內繼續重新激活記憶。因此，在重新轉移到皮層之前，新整合的信息尤其脆弱，有受到干擾的風(fēng)險。
在這項最新研究中，為了探究睡眠期間的大腦記憶功能，研究團隊利用了小鼠的一個(gè)怪癖：它們的眼睛在睡眠的某些階段是部分睜開(kāi)的。研究團隊在每只小鼠睡覺(jué)的時(shí)候監測它的一只眼睛。在深度睡眠階段，研究團隊觀(guān)察到瞳孔先是縮小，然后又反復恢復到原來(lái)的更大的大小，每個(gè)周期大約持續一分鐘。神經(jīng)元記錄顯示，大腦對經(jīng)歷的大部分回放發(fā)生在瞳孔縮小的階段。
瞳孔振蕩擴張揭示了自然睡眠微結構
這使得研究團隊進(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，研究團隊訓練轉基因小鼠尋找隱藏在平臺上的甜食。在這些訓練結束后，當小鼠入睡時(shí)，研究團隊使用光遺傳學(xué)方法減少了與回放相關(guān)的神經(jīng)元放電——他們在小瞳孔和大瞳孔睡眠階段進(jìn)行了一系列排列組合的處理。
研究團隊驚訝地發(fā)現，當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，當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，研究團隊還進(jìn)一步發(fā)現，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)驗前幾天形成的“舊記憶”，而不是實(shí)驗當天形成的“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(lái)說(shuō)，這項發(fā)表于 Nature 的最新研究開(kāi)發(fā)了一種同時(shí)利用電生理學(xué)、閉環(huán)光遺傳學(xué)和瞳孔測量的方法來(lái)監測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。這些結果表明，大腦可以在睡眠期間多路復用不同的認知過(guò)程，以促進(jìn)不受干擾的持續學(xué)習和記憶功能。
值得一提的，災難性遺忘還會(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，是當今許多人工智能（AI）工具的基礎。因此，對大腦如何避免災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(wèn)題的算法，或將促進(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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