【原】脑机接口试验证实，睡眠有助于巩固记忆

睡眠在学习和记忆中起着至关重要的作用。在大鼠的海马体和感觉皮层中，已证明学习到的神经序列在睡眠过程中重放。

慢波睡眠（slow-wave sleep, SWS），也称为非快速眼动睡眠（NREM），在这些过程中特别重要，因为在慢波睡眠期间支持神经重放的电生理现象非常丰富。在海马体中，神经序列的重放发生在尖波涟漪（sharp-wave ripple, SWR）活动爆发期间。慢波睡眠期间主要表现为尖波涟漪，但也能在清醒状态时观察到（与任务执行相关）。

关于神经重放在运动皮层中的作用知之甚少。为了确定运动学习后是否进行重放，哈佛医学院的Daniel B.Rubin等评估了一名人类参与者在慢波睡眠期间对新运动任务的神经重放。

参与者是一名36岁男性（称为T11），因颈脊髓损伤致四肢瘫痪。在BrainGate脑机接口临床试验中，研究人员将两个96通道皮质内微电极阵列长期放置在左侧中央前回。在参与者玩颜色/声音序列匹配记忆游戏时，试验记录了单个和多个单元的活动。

BrainGate试验的目的是获得设备（将BrainGate2传感器置入运动相关皮层）的安全性信息，并论证四肢瘫痪患者能够用意念控制计算机光标和其他辅助设备的原理（可行性）。

图1 试验范式

（A）记录日的时间线。在两个记录日期的第二个，研究人员在试验前一晚记录了皮层内神经数据和头皮脑电图（EEG）。两次记录过程开始于短暂的皮层内/EEG同步程序，然后是标准校准程序。（B）在校准程序中，参与者完成将光标移动到围绕中心起点的8个“目标”中的一个。校准后，参与者休息30分钟，在此期间研究人员记录皮层内和头皮信号。在休息期之后，参与者参与运动序列记忆任务（详见C）。在完成10个区块的运动任务后，参与者再休息30分钟。然后，记录参与者睡眠时的神经信号。（C）运动序列记忆任务。每次试验都以一个序列演示开始，在演示过程中，4个彩色形状被依次照亮，同时播放一个简短的音调。该序列播放3秒。序列演示完成后，屏幕中央会出现一个由神经控制的小光标。参与者的任务是按照刚才演示的相同顺序将光标移动到4个形状中的每一个。参与者在每个记录日完成10个区块的试验，每个区块16次试验。两个记录日之间的“目标”序列不同。在每个区块的16次试验中的有12次为目标序列，4次为随机生成的“干扰”序列

通过实时稳态卡尔曼滤波器从运动皮层神经元活动中解码预期运动。在参与者夜间睡眠时，记录了中央前回皮层内神经活动和头皮脑电图（EEG）。

解码显示，夜间记录的皮层神经信号以明显高于预期的频率出现，在整个睡眠过程中间隔重放记忆游戏中的目标序列。重放事件发生的速度是最初任务执行速度的1~4倍，重放在慢波睡眠期间最常见。

结果表明，人类视觉运动技能的获得可能伴随着睡眠期间相应运动皮层神经活动的重放。研究人员提出，重放可能是一个跨多个皮层系统的学习和记忆的保守机制，包括语义系统、导航系统和运动系统，进一步支持睡眠在记忆巩固中的作用。

参考文献：Rubin DB, Hosman T, Kelemen JN, et al. Learned motor patterns are replayed in human motor cortex during sleep[J]. Journal of Neuroscience,2022,42:5007-5020.