摘要：科学家首次发现，睡眠期间大脑海马体中的神经元会主动重组空间记忆表征，这种"离线重调"不仅能巩固过往经历，更能预测并影响个体再次面临相同环境时的行为选择。这项发表在《自然》杂志的突破性研究，通过开发全新的贝叶斯解码技术，揭示了睡眠作为"行为预演场"的隐秘机制，为

科学家首次发现，睡眠期间大脑海马体中的神经元会主动重组空间记忆表征，这种"离线重调"不仅能巩固过往经历，更能预测并影响个体再次面临相同环境时的行为选择。这项发表在《自然》杂志的突破性研究，通过开发全新的贝叶斯解码技术，揭示了睡眠作为"行为预演场"的隐秘机制，为理解梦境与现实之间的神秘联系提供了科学依据。

研究团队通过在大鼠海马区CA1植入多通道电极，连续监测神经元在清醒探索、睡眠休息和再次探索三个阶段的放电活动。令人震惊的发现是，睡眠中的神经元并非简单重播白天的经历，而是在尖波波纹这种特殊脑电活动的驱动下，系统性地重构空间表征，为未来可能的行为变化做好准备。当大鼠再次进入同一环境时，其行为改变的方向与睡眠期间神经元重调的方向呈现高度一致性，证明了睡眠的"预测性重组"功能。

记忆的动态重构机制

DOI: 10.1038/s41586-024-07397-x

传统神经科学理论认为，海马体的位置场相对稳定，每个神经元对特定空间位置保持固定的反应模式。然而，这项研究彻底颠覆了这一认知。研究人员发现，当大鼠首次在直线轨道上探索时，海马体神经元确实形成了对应的空间编码模式，但在随后的睡眠期间，这些编码模式发生了显著变化。

更关键的是，这种变化并非随机漂移，而是具有明确的方向性。原本编码"在位置A执行行为X"的神经元集群，会逐渐调整为"在位置A执行行为Y"的新表征。这种重调过程在慢波睡眠期间最为活跃，特别是在尖波波纹出现期间达到峰值。

研究团队开发的贝叶斯学习算法能够实时追踪这种动态变化。通过分析群体神经元的协同放电模式，算法可以推断出单个神经元空间偏好的演化轨迹。这种方法首次让科学家能够"窥视"大脑在离线状态下的内部处理过程，观察记忆是如何被主动改写的。

实验数据显示，睡眠期间约60%的海马体神经元会发生空间表征的重组，其中30%的重组与后续行为变化直接相关。统计分析表明，神经元重调的程度与大鼠再次探索时行为改变的幅度呈现0.73的相关系数，这种强相关性远超随机概率。

尖波波纹：睡眠重组的神经引擎

尖波波纹作为海马体慢波睡眠期间的标志性电生理现象，一直被认为与记忆巩固密切相关。但这项研究首次揭示了其在记忆重构中的关键作用。尖波波纹事件平均每秒发生1-2次，每次持续约100毫秒，期间海马体神经元会出现高度同步的放电活动。

图：离线状态下海马区空间调谐的贝叶斯学习

研究发现，神经元表征的重调主要发生在尖波波纹期间。每当检测到尖波波纹信号，相应的神经元集群就会显示出更强的空间编码重组倾向。通过精确的时间分析，研究人员发现重调过程遵循特定的时序模式：尖波波纹开始后约20毫秒内，神经元开始改变其空间反应特性；在波纹结束后的50毫秒内，新的编码模式得到强化。

为了验证尖波波纹在记忆重组中的因果作用，研究团队进行了干预实验。通过光遗传学技术选择性抑制尖波波纹的产生，结果显示神经元的空间表征重调程度显著下降，相应地，大鼠在再次探索时的行为变化也明显减少。这一结果有力证明了尖波波纹在睡眠记忆重组中的核心地位。

进一步的分析揭示，不同类型的尖波波纹对应不同的重组模式。高频率尖波波纹主要参与空间序列的重排，而低频率尖波波纹则更多涉及单个位置编码的微调。这种分工机制使得海马体能够在睡眠中进行多层次、多尺度的记忆优化。

预测未来的神经计算

这项研究最引人注目的发现是，睡眠期间的记忆重组具有明显的"前瞻性"特征。研究人员通过比较睡眠前后的神经活动模式，发现重组后的表征与大鼠未来的行为选择高度吻合，预测准确率达到78%。

这种预测能力的实现依赖于海马体复杂的神经网络结构。在睡眠期间，海马体不仅会重播白天的经历序列，更会生成从未实际经历过的"假想序列"。这些假想序列代表了在相同环境中的可能行为路径，通过与实际经历的比较和整合，形成了优化的行为策略。

图：睡眠波纹调谐可预测小鼠再次进入迷宫时的未来位置场

研究数据显示，睡眠中约40%的神经活动序列是"创新性"的，即不直接对应白天的真实经历。这些创新序列往往预示着大鼠在再次探索时会采取的新路径或新策略。通过对这些序列的分析，研究人员能够在大鼠醒来之前就预测其未来的行为变化。

更令人惊讶的是，这种预测性重组还会考虑环境的不确定性。在实验中，研究人员发现海马体会根据环境的复杂程度调整重组策略。在简单环境中，重组主要集中在提高效率；而在复杂环境中，重组则更多关注风险规避和多样化策略的准备。

从动物模型到人类认知

虽然这项研究基于大鼠模型，但其发现对理解人类睡眠和记忆具有重要意义。人类海马体的基本结构和功能与大鼠高度相似，尖波波纹在人类睡眠中同样存在并发挥重要作用。近年来的人类睡眠研究已经证实，慢波睡眠期间海马体确实会发生记忆重组过程。

这一发现为解释一些人类睡眠现象提供了新的理论框架。例如，为什么人们经常在睡眠后对问题有了新的见解，或者在梦中"预见"了未来的情境。从神经科学角度看，这些现象可能源于睡眠期间海马体对记忆表征的主动重组和优化。

临床研究表明，睡眠障碍患者往往伴有记忆和认知功能的损害。这项研究提示，睡眠障碍可能不仅影响记忆的巩固，更重要的是破坏了记忆的优化重组过程，导致个体无法有效准备未来的行为策略。

对于教育和学习的启示同样深刻。传统观念认为睡眠主要用于巩固所学内容，但这项研究表明，睡眠更重要的作用可能是重组和优化知识结构，为未来的应用做准备。这提示我们应该重新评估睡眠在学习过程中的地位，将其视为主动的认知优化过程而非被动的存储过程。

未来的研究方向可能包括开发基于睡眠重组机制的学习和治疗方法。通过精确调控睡眠中的尖波波纹活动，或许能够增强记忆的重组效果，提高学习效率或改善认知功能障碍。

这项突破性研究不仅揭示了睡眠作为"行为预演场"的神秘机制，更为我们理解大脑如何主动塑造未来行为提供了全新视角。它提醒我们，每一个安静的睡眠之夜，大脑都在进行着复杂而精密的神经计算，为我们醒来后的每一个选择和行为做着充分的准备。

来源：人工智能学家