一项最近的研究揭示了关于大鼠海马中的个体神经元如何在动物首次通过迷宫后的休息期间稳定和调整空间表征的新信息。这项研究提供了睡眠过程中神经可塑性的首次证据。此外，研究发现，在睡眠期间，一些神经元不仅重播最近的过去，还预测未来的经历。这个发现是由瑞士大学的研究小组在《自然》杂志上发表的一项关于睡眠与学习的研究系列见解的一部分。密歇根大学的研究提供了关于大鼠海马中个体神经元在动物完成首次穿越迷宫后的空间表征稳定和调整的独特视角。
密歇根大学麻醉学副教授、该研究的通讯作者卡姆兰·迪巴解释说：“某些神经元对特定的刺激做出反应。例如，视觉皮层中的神经元对视觉刺激做出反应。我们正在研究的这些神经元表现出位置偏好。”
研究迪巴领导的密歇根神经回路与记忆实验室的合作者们一直在研究专业化神经元如何在新的经历后创建世界表征。研究人员将重点放在了尖峰波纹上，这是一种神经元激活的模式，有助于巩固新记忆，并指示新经历的哪些部分将被储存为记忆。“这是我们第一次观察到这些个体神经元在休息期间如何稳定空间表征，”瑞士大学副教授凯梅尔解释说。科学研究证明，睡眠对记忆和学习至关重要，这些研究衡量了小憩后的记忆测试表现与醒来后或睡眠剥夺后的表现相比较。多年前，研究人员发现，在之前探索新环境的睡眠动物的大脑中，神经元以重放其在探索期间运动的方式激活。这一发现支持了睡眠有助于新经历形成持久记忆的理论，表明专业化神经元在睡眠期间发挥了对空间表征的作用。科学家们想要看看在睡眠期间海马是否发生变化。他们相信某些神经元可能会改变其活动，类似于醒来时获得新理解的体验。为了调查这一点，他们需要监测个体神经元如何发展空间调谐，即大脑学习导航新路线或环境的过程。研究人员通过训练大鼠在轨道上跑动，并观察个体神经元的反应来进行研究。动物海马中的神经元会显示出活动的增加。通过在多次旅程中确定平均活动率，科学家能够评估神经元在环境中的偏好区域。“需要注意的重要一点是，偏好区域的确定是基于动物的行为，”凯梅尔解释道，强调在动物不主动导航迷宫的休息期间确定偏好区域时的难度。“我一直在思考我们如何能在迷宫外评估神经元的偏好。”
迪巴表示，理解大脑空间调谐过程的挑战在于神经元并不总是活跃的，比如在睡眠期间。为了解决这个挑战，研究人员将每个神经元的活动与其他所有神经元的活动关联起来。
该研究的关键创新是开发了一种统计机器学习方法，该方法利用其他神经元的活动来估计动物梦见的地方。然后利用梦见的位置来估计数据集中每个神经元的空间调谐过程。
迪巴表示，能够在没有刺激的情况下追踪神经元的偏好是研究小组的一项重大突破。
迪巴和凯梅尔都称赞密歇根大学的博士后研究员、该研究的主要作者库鲁什·马布迪对学习调谐方法发展的贡献。
该方法证实，在接触新环境期间创建的空间表征大多数神经元在经历后的几小时睡眠中仍然保持稳定。然而，正如研究人员所预期的，事情并不止于此。
“我发现这项研究中最令人兴奋的是发现，睡眠期间这些神经元所做的并不一定只是简单地重播过去的经历，”马布迪说。
凯梅尔指出，睡眠的主要功能是巩固来自经历的记忆。然而，他注意到在此期间某些神经元可能参与其他活动。研究显示，睡眠期间神经元活动发生变化，这些变化反映了动物在睡眠期间发生的学习过程。这表明大脑即使在身体静止时仍然活跃且处理信息。这一观察很重要，因为它提供了发生在睡眠期间的神经可塑性的直接证据，这是可塑性研究领域内的一项重大发现。该研究探讨了神经元如何重新连接和创建新表征的机制，侧重于在清醒期呈现刺激时的过程，与在睡眠期间相关刺激缺失时的过程相比。迪巴表示，大脑的可塑性或重接能力在极快的时间尺度上起作用，实际经历的持续时间——从几秒到几天——与记忆的形成之间有着迷人的联系，后者是高度浓缩的。迪巴还强调了记忆的瞬时性质，引用了一位法国现代主义作家的著名文学段落。作家马塞尔·普鲁斯特的作品描述了一个童年回忆，迅速揭示出一个过去经历的整个世界。这项研究展示了随着高分辨率神经探针和基于机器学习的计算能力的设计技术进步，神经科学的进步变得可能。研究者凯梅尔认为，脑科学在未来即将取得重大进展，但他也对近期预算削减对正在进行的研究的影响表示担忧。他担心目前的预算削减可能会妨碍这一领域的潜在进展。“没有这个机会，我们就无法进行这些实验并获得这些发现，”凯梅尔提到。“我们感谢给予我们的这个机会。”
