縱然我們已不像半個世紀前那樣對大腦的 offline 狀態一無所知，如今不管是誰都知道休息和睡眠可以給我們帶來諸多好處。但是在這個“內卷化”時代里，很多年輕人依舊把休息當做一種奢侈，僅僅想象自己生命的1/3將在睡眠中度過就會感到一種被落后的不安。于是他們犧牲了睡眠，熬夜工作、備考、學習新的知識。可如果他們有時間停下來回顧一下，或許就會發現，他們犧牲了健康的作息換來的的知識好像很難真正地“進入腦子”。

而很多時候，我們先前怎么背也記不住的知識，怎么想也想不通的難題睡一覺或者是放空一段時間之后反而豁然開朗。睡眠似乎并不只是被動地起到防止外界干擾的作用，而是在其中扮演了一個更積極的角色，這里究竟發生了什么，我們無意識下的offline大腦究竟施展了什么樣的“魔力”？近年研究激增的神經回放為我們提供了一種新的可能解釋。

【資料圖】

一、生物神經回放的研究歷程

來自動物的發現

雖然近年神經回放研究吸引了足夠的熱度，但是神經回放現象的發現卻并不是最近的事，1994年，科學家就在大鼠身上首次發現了這種現象（Wilson & McNaughton， 1994）。他們在三只大鼠的大腦中植入了記錄海馬子區CA1區細胞活動的微驅動陣列（microdrive arrays，如下圖所示），然后依次記錄了：

（1）大鼠在正常睡眠期間的神經元放電情況（PRE）；

（2）大鼠完成空間運動任務（走迷宮獲得食物）時的神經元放電情況（RUN）；

（3）大鼠在空間行為任務之后的睡眠期間的神經元放電情況（POST）。

三只大鼠記錄的海馬錐體細胞群的空間放電特征

結果發現，大鼠在運動后睡眠期間的海馬位置細胞會以其先前經過路徑的相同順序進行放電（如下圖所示）。

細胞網絡的有效連接矩陣圖：大多數在任務階段出現的高度相關細胞對也在任務后的睡眠階段中出現。*點表示單個細胞、線條表示細胞之間的正相關、紅色代表相關性大于0.2

繼這項開創性工作之后，更多研究在非人類動物的不同皮層和皮層下區域都發現了神經回放的現象，即神經元細胞依照先前的放電順序再次重新按順序激活，發現的腦區包括視覺皮層、腹側紋狀體、內側前額葉、頂葉和運動皮層等。并且研究發現神經回放可以出現在多種不同時期，包括清醒期間、非快速眼動睡眠（NREM）期間和快速眼動睡眠（REM）期間（Foster， 2017）。

從動物實驗到人類實驗

盡管在動物身上做了大量的研究，但是在對人類的神經回放現象的研究中，由于神經元放電活動的觀察困難性，在很長的一段時間內研究者都無法直接對神經回放本身進行研究，而此期間，非侵入式功能性神經影像學研究為神經回放提供了諸多的間接證據。

例如，通過在慢波睡眠期間呈現相關氣味線索，海馬體會得到相應的激活（Diekelmann et al.， 2011）。此外，也發現了學習結束后離線階段大腦的重激活現象，包括慢波睡眠時期海馬體的再激活（Peigneux et al.， 2004），和運動學習后REM期間運動前皮層活動的增加（Maquet et al.， 2000）。

目前，由于動物研究已經確認了神經回放發生的主要腦區和背后的神經機制，隨著技術和方法的更新，最近的研究可以通過iEEGs、MEG（Buch et al.， 2021; Liu et al.， 2019）、iBIC甚至傳統的fMRI（Schuck & Niv， 2019）和行為實驗（Zuo et al.， 2020）的手段證明人類神經回放活動的存在，并且發現了人類的神經回放和動物神經回放的極大的相似性。從動物實驗到人類實驗，從侵入性研究到非侵入性研究，神經回放的研究進入了一個新的階段。

在Web of Science數據庫中，以主題“Neural replay”進行檢索所得

人類運動學習后的神經回放研究

在本節中，我們將簡單地介紹來自哈佛醫學院 Sydney S. Cash 團隊在2020年（Eichenlaub et al.， 2020）和2022年（Rubin et al.， 2022）的兩項研究，不同于其他研究中更多地使用 MEG 等非侵入式神經活動無創記錄技術和神經解碼（decoding）中的多變量模式分析方法來對正常人的腦活動進行監測和分析，這兩項研究中使用植入式微電極陣列，對病人在序列運動學習后的神經元放電情況進行了直接的記錄。

如其中一位研究者 Beata Jarosiewicz 博士所說“這是第一個直接證據，證明我們也可以看到人類在學習后的休息期間有幫助鞏固記憶的回放現象……我們在動物身上研究了幾十年與回放有關的記憶鞏固機制，看起來很可能也適用于人類。”

在 Cash 團隊的這兩項研究中，被試首先完成微電極陣列設備校準（熟悉如何通過意圖移動光標），然后被要求閉眼休息約半小時，記錄其靜息態下的腦活動指標（Rest1）；隨后被試會完成一個類似電子游戲“西蒙”（Simon）的序列運動學習任務：電腦首先顯示目標序列，然后被試通過自己的意念想象去操縱光標按照這樣的序列運動（iBCI，詳見下圖和視頻），其中被試需要完成的重復序列和隨機序列試次數量呈現3:1的比例（Sequence game）；任務結束后，被試會再次閉眼休息并被記錄學習后的腦活動情況（Rest2）。

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