摘要：你是否也曾做过这样一类梦：梦见自己走在一条从未去过的街道，结果第二天竟然真的走到了那里？或是梦见一道考试题目，醒来发现竟与第二天的考试真题惊人相似？虽然这些“预言梦”大多被归为巧合，但神经科学家们一直在探索：睡眠是否真的能重塑甚至“预知”我们醒后的经历？

转自：生物谷

你是否也曾做过这样一类梦：梦见自己走在一条从未去过的街道，结果第二天竟然真的走到了那里？或是梦见一道考试题目，醒来发现竟与第二天的考试真题惊人相似？虽然这些“预言梦”大多被归为巧合，但神经科学家们一直在探索：睡眠是否真的能重塑甚至“预知”我们醒后的经历？

最近，《自然》杂志发表的一项研究给出了一个惊人的答案：睡眠期间，大脑海马体中的神经元正在秘密重调它们的空间记忆表征，甚至能预测动物未来重返相同环境时的行为变化！这意味着，睡眠不只是记忆的“储存箱”，更可能是未来行为的“预演场”。并且，这项研究还开发了一种全新的贝叶斯解码方法，让我们首次能够“偷看”大脑在离线状态下的“内部排练过程”。

接下来，就让我们一起走进这项研究，看看科学家是如何通过大鼠的睡眠数据，发现“梦里预见未来”的神经机制的吧！

研究意义与目的

记忆并不是一成不变的。我们经历某件事后，记忆会在睡眠中被重新处理、强化甚至修改。海马体作为大脑中负责空间记忆和情景记忆的关键区域，其神经元在动物探索环境时会形成“位置场”（place fields），即对特定位置有选择性反应的放电模式。

然而，这些位置场并不是固定不变的。它们会随着时间、经验和睡眠发生漂移甚至重组。传统解码方法假设神经元的位置偏好是稳定的，但这显然不符合实际情况。因此，本研究旨在开发一种新方法，能够动态追踪神经元在睡眠等离线状态下空间偏好的变化，从而揭示睡眠如何影响记忆的巩固与重构。

研究方法：动物实验+精细监测

于是，研究团队设计了一套精细的实验方案。他们在自由活动的大鼠海马区CA1植入多通道电极，持续记录神经元的放电活动与局部场电位（LFP），从而捕捉大脑在不同状态下的电生理信号。

实验分为三个阶段：

● PRE：大鼠在笼中自由休息与睡眠（约3小时），建立基线神经活动；

● MAZE：大鼠首次在一条新型直线轨道上奔跑，通过获取水源奖励学习空间导航（约1小时）；

● POST：大鼠返回笼中进行长时间睡眠（约10小时），部分实验还包含再次进入迷宫的reMAZE阶段，以检验睡眠后行为是否改变。

此外，研究者还开发了一种新型贝叶斯学习方法，通过群体神经元的放电模式，反推单个神经元在离线状态下的“空间偏好”。这种方法使得研究人员能够动态追踪睡眠中每个神经元的空间表征如何变化，揭示其与未来行为的关联。

看着十分复杂，但简单来说，就是“看”大鼠在清醒时怎么“记”环境，睡眠时海马体神经元怎么“改”记忆表征，醒来后又怎么“用”调整后的记忆来指导行为。

睡眠中，海马体在“重写”记忆

首先研究发现，当大鼠在特定空间探索时，研究人员记录到一批对该空间环境敏感的海马体神经元（可称为“空间表征神经元”），它们的放电模式编码了大鼠身处的位置、环境特征等信息。

而当大鼠进入睡眠后，奇妙的事情发生了：这些神经元的放电模式开始改变，原本编码“当前环境A”的表征，逐渐“重调”为一种新的、更具“前瞻性”的表征。比如，原本在环境A中，神经元活动对应“位置1 - 行为X（如左转）”，睡眠重调后，活动模式变成了“若再次到位置1，应行为Y（如直行）”。

并且，通过比对睡眠前后神经元的放电活动，研究发现，在睡眠期间，海马体CA1区神经元的空间表征发生了显著重组。更重要的是，重组后的表征与大鼠再次探索迷宫时所表现出的行为高度一致。这表明，睡眠中的记忆重调并非随机发生，而是有方向地朝着“适应未来行为”进行优化。

那么，这种“重调”是否真的影响行为呢？

进一步实验显示，当大鼠在睡眠后再次进入相同环境时，其行为模式发生了显著改变——而这些改变的方向，与睡眠期间海马体神经元的表征重调方向完全吻合。

具体来说，如果睡眠中某群神经元从“编码左转”变为“编码直行”，大鼠在相应位置选择直行的概率就会明显上升。统计分析表明，睡眠后大鼠行为改变的程度，与海马体神经元重调的程度呈显著正相关。这一结果强有力地证明：睡眠期间的记忆重组，直接调控了后续行为的表达。

如此看来，睡眠可不仅仅只是“巩固过去的记忆”，更是在“改造”记忆，让记忆适配未来可能的行为需求，为本体再次进入相同环境做准备。

睡眠如何能实现记忆重调？

为进一步探究这一现象背后的神经机制，研究人员将目光投向一种特殊的脑电活动——尖波波纹（sharp wave ripples, SWRs）。SWRs是出现在慢波睡眠期间海马体内的典型高频振荡信号，表现为快速电波动叠加在慢速尖波之上。

研究发现，SWRs的发生与神经元表征的重调显著相关：每当出现SWR事件，海马体神经元的空间编码活动便显示出更强的重组倾向。可以形象地说，SWRs就像是睡眠期间海马体开始“加班工作”的信号，负责将白天的“经验性记忆”转化为可供未来使用的“行为指南”。

这一机制在干扰实验中进一步得到验证：当研究者人为抑制SWRs活动后，海马体神经元的表征重调程度明显下降，大鼠在重新探索环境时行为变化的概率也相应减少。

我们可以用一个比喻来理解这一过程：大鼠白天的迷宫探索好比“学生在课堂学习”，而睡眠中的海马体重调，则相当于“老师课后备课”——根据未来的“考查方向”调整和优化知识结构，以便学生在下一次“考试”（即重新进入环境）中做出更合适的反应。

推广到人类行为，这意味着：当我们经历新环境（比如学习驾驶、熟悉新工作场所）之后，睡眠期间海马体可能正在默默“预演”下一次遇到类似情境时应如何应对——通过调整神经表征，优化我们的行为模式。因此，优质且充足的睡眠，不仅有助于巩固所学内容，更可能提升我们“如何使用”这些记忆的能力。

小结

综上，《Nature》的这项研究通过精细的实验设计，首次清晰揭示了睡眠期间海马体神经元的动态重塑机制：在“尖波波纹”（SWRs）的触发下，大脑默默重调空间记忆表征，为动物再次进入相同环境时的行为改变做好充分准备。这不仅说明睡眠是记忆的“巩固器”，更是一座隐藏的“行为预演场”。

从大鼠模型推及人类，我们或许可以推断：那些看似神奇的“预言梦”，正是源于我们记忆中某些被遗忘、却仍在神经网络中悄然封存的碎片。在睡眠中，大脑重新提取并优化那些记忆痕迹，不断微调神经表征，整合成更高效的行为预案——于是当我们醒来后，再次面对相似情境时，便可能产生一种微妙的“熟悉感”，以及做出更从容、更优化的选择。

总之，这一发现，不仅刷新了我们对睡眠功能的传统认知，也为理解大脑如何主动模拟未来、规划行为提供了全新的视角；同时，它还为睡眠障碍相关认知问题的机制研究与干预策略，开辟了充满希望的新研究方向！

参考文献：

Retuning of hippocampal representations during sleep

DOI: 10.1038/s41586-024-07397-x

来源：新浪财经