你是否有過這樣的經(jīng)歷：在夜深人靜快要入眠時(shí)，忽然有一串回憶在你的腦海中浮現(xiàn)，或者幾個(gè)完全不相干的事情，被大腦莫名聯(lián)系地到一起。其實(shí)，這個(gè)時(shí)候，你的大腦很可能正在自發(fā)地“回放”記憶。
這種在大腦中的記憶回放，往往在一秒鐘的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，以至于我們并不一定可以意識(shí)到它。不過最近，研究者在人的大腦中，第一次得到了這種回放的直接證據(jù)?？茖W(xué)家認(rèn)為，這種回放對于記憶的鞏固很重要。
對于回放現(xiàn)象的研究，可以追根溯源到大腦中的“定位系統(tǒng)”。1971 年，倫敦大學(xué)學(xué)院（University College London）的約翰·奧基夫（John O’Keefe）和同事，在大鼠的大腦海馬區(qū)中發(fā)現(xiàn)了與位置相關(guān)的神經(jīng)元，將其命名為“位置細(xì)胞”。海馬區(qū)是人和其他哺乳動(dòng)物大腦中的一個(gè)區(qū)域，在記憶和導(dǎo)航等方面有重要功能。他們發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)大鼠處在特定位置時(shí)，海馬區(qū)的一些位置細(xì)胞才會(huì)變得非?；钴S。
23 年之后，亞利桑那大學(xué)的布魯斯·麥克諾頓（Bruce L. McNaughton）和同事發(fā)現(xiàn)，大鼠不管是在睡眠時(shí)，還是在停止活動(dòng)但仍然清醒的休息狀態(tài)下，這些位置細(xì)胞會(huì)時(shí)不時(shí)地活躍，而且是自發(fā)地按照之前運(yùn)動(dòng)過的順序。簡單來說，當(dāng)一只大鼠跑過 A、B、C 三個(gè)點(diǎn)時(shí)，它海馬區(qū)中的三個(gè)位置細(xì)胞 a、b、c 會(huì)分別激活；在這只大鼠休息和睡眠時(shí)， a、b、c 三個(gè)神經(jīng)元會(huì)自發(fā)性地按照這個(gè)順序活動(dòng)。而且，相比大鼠在真實(shí)世界中跑過 A、B、C 三個(gè)點(diǎn)的時(shí)間，這三個(gè)神經(jīng)元自發(fā)活動(dòng)的時(shí)長短很多，其速度通常是真實(shí)速度的 5 到 20 倍——這個(gè)現(xiàn)象被稱為“回放”。
在接下來對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這種回放的神經(jīng)元活動(dòng)，不僅僅只發(fā)生在與位置記憶相關(guān)的事件之后，也不局限于海馬腦區(qū)；甚至，這種回放的順序不僅有正向，還有反向?？茖W(xué)家還認(rèn)為，回放在記憶鞏固和計(jì)劃將來活動(dòng)中發(fā)揮了作用。
近幾年，研究者也在人腦中找到了回放的間接證據(jù)。他們使用的是非侵入實(shí)驗(yàn)，也就是不向人體內(nèi)植入任何芯片或者傳感器，直接在體外探測信號(hào)，例如功能性磁共振成像、腦電圖、腦磁圖等人腦活動(dòng)記錄技術(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在休息和睡眠時(shí)，記憶會(huì)被重新激活，經(jīng)歷過的事件會(huì)在大腦中出現(xiàn)回放。不過，受限于非侵入技術(shù)的約束，這些研究結(jié)果在時(shí)間或者空間上的分辨率較低，很難像在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物上那樣，做出對神經(jīng)元的精確測量。
最近，通過腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)，研究者記錄到高精度信號(hào)，找到了人腦中存在回放現(xiàn)象的證據(jù)。這項(xiàng)研究發(fā)表在《細(xì)胞報(bào)告》上，由哈佛醫(yī)學(xué)院的讓-巴蒂斯特·艾辛勞布（Jean-Baptiste Eichenlaub）和布朗大學(xué)的貝婭塔·加洛塞維奇（Beata Jarosiewicz）及同事完成。
在這項(xiàng)研究中，兩位四肢癱瘓的被試者在外科手術(shù)之后，其大腦中的運(yùn)動(dòng)皮層被植入了微電極陣列。這些電極非常細(xì)微，可以記錄到單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。這些大規(guī)模的神經(jīng)元信號(hào)，可以用來解碼出被試者的運(yùn)動(dòng)意圖。比如下圖所示的，當(dāng)被試想要將屏幕中心的點(diǎn)移動(dòng)到外周的一個(gè)位置時(shí)，他只需要想象自己移動(dòng)這個(gè)點(diǎn)，腦機(jī)接口就可以幫助他用意念來完成這個(gè)任務(wù)。
實(shí)驗(yàn)中，被試者首先會(huì)看到提示：屏幕上的四個(gè)色塊以固定的順序高亮，比如圖中所示的例子是紅-青-黃-藍(lán)。在提示之后，被試者需要以最快的速度控制中心點(diǎn)，按這個(gè)順序?qū)⒅行狞c(diǎn)移動(dòng)到對應(yīng)的色塊上。在一次實(shí)驗(yàn)中，被試者會(huì)重復(fù)玩 66 次固定的順序，中間隨機(jī)插入了 22 次其他順序——這些其他順序的游戲，可以作為固定順序的對照組。經(jīng)過學(xué)習(xí)，被試者可以輕松完成。
在玩游戲之前和之后，兩位被試者被要求閉目放松 20～30 分鐘，如果困了可以小睡，微電極陣列在這時(shí)也會(huì)一直記錄。分析記錄到的信號(hào)后，研究者發(fā)現(xiàn)，在游戲之后的放松時(shí)間，大腦出現(xiàn)更多的是在重復(fù)固定順序時(shí)所產(chǎn)生的神經(jīng)元放電模式，而不是其他隨機(jī)順序時(shí)的放電模式。也就是說，大腦在游戲離線的情況下，仍然會(huì)回放之前重復(fù)玩的游戲順序。
類似于之前研究發(fā)現(xiàn)的加速回放，這個(gè)研究里，回放也有多種時(shí)長，平均約是真實(shí)游戲時(shí)間的 1/10。另外，研究者進(jìn)一步區(qū)分了被試者放松時(shí)的狀態(tài)，分離出他們清醒和睡眠的時(shí)間段。人類和其他哺乳動(dòng)物的睡眠可分為快速眼動(dòng)睡眠和非快速眼動(dòng)睡眠兩個(gè)部分，在短時(shí)間的小睡中以非快速眼動(dòng)睡眠為主。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，回放現(xiàn)象在清醒和非快速眼動(dòng)睡眠狀態(tài)下都有發(fā)生。這提供了直接的證據(jù)，說明實(shí)驗(yàn)動(dòng)物上觀察到的回放，同樣出現(xiàn)在我們?nèi)祟惖拇竽X中，且以類似的比例加速。
這項(xiàng)研究帶來了更多可以探究的新問題，比如，在人類睡眠的其他時(shí)間段，像是在快速眼動(dòng)睡眠時(shí)，回放是否會(huì)以不同的時(shí)間尺度存在？人類的動(dòng)機(jī)和情緒，又是否會(huì)調(diào)節(jié)回放的強(qiáng)度？回放是否和人類的記憶鞏固相關(guān)？
受限于對人體侵入式記錄的限制，這些問題可能很難在短期內(nèi)得到答案。但毫無疑問，這些探索能讓我們更理解，人類是如何從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)的。
