睡眠的一个阶段 —— 反映在我们瞳孔的大小上 —— 对于将最近的记忆储存到大脑中很重要，可以操纵大脑来改善认知功能，甚至可以识别在清醒时回忆新经历的问题。

康奈尔大学的科学家在一项复杂的研究中发现了这种瞳孔收缩的睡眠状态及其与近期记忆的联系，这为理解认知功能开辟了新的途径 —— 以及我们有朝一日如何优化这种状态以更好地回忆新信息。

从本质上讲，睡眠分为两个阶段 —— 非快速眼动（non-REM，研究人员称之为NREM）睡眠和快速眼动（REM）睡眠 —— 人们普遍认为，两者在记忆和认知功能中起着不同的作用。但是，当我们从浅睡眠进入深度睡眠时，也有非快速眼动睡眠的子集（N1、N2和N3）。科学家们是在NREM阶段发现的。

该研究的首席研究员之一、助理教授Azahara Olivia说：“非快速眼动睡眠是真正的记忆巩固发生的时候，这些时刻非常非常短，人类无法察觉，比如100毫秒。在整个晚上，大脑是如何分配这些快速而短暂的记忆筛选的？如何将新知识分离开来，同时又不干扰我们头脑中已有的旧知识？”

在为期一个月的研究中，实验小鼠被反复要求在两种迷宫中寻找奖励 —— 一种是T型迷宫，用于观察即时的短期空间记忆和决策，另一种是奶酪板任务，用于检查长期记忆的巩固。这些不同的测试使科学家们能够观察到学习过程中特定的海马体活动，以及睡眠中记忆的回放和巩固。

由于我们的瞳孔会随着大脑活动而变化，发出诸如觉醒等状态的信号，因此有证据表明，在睡眠时，眼睛可能会提供类似的线索，反映神经过程。当然，这不是一件容易观察和测量的事情。

为此，该团队使用了定制的头戴式设备，其中包含一个小型摄像头和高科技大脑传感器。当老鼠在迷宫中移动或睡觉时，红外摄像机记录下瞳孔的大小，并实时分析数据以跟踪变化。为了测量大脑活动，微小的硅探针被植入海马体，监测来自神经元的电信号以及已知的模式，如锐波涟漪（SWRs）—— 记忆回放中的重要活动。这两项测量是同步进行的，以便全面了解睡眠期间瞳孔的变化如何反映大脑在近期和长期记忆巩固方面的不同功能。

研究人员还使用了光遗传学 —— 光疗法来控制特定神经元的活动，以操纵和扰乱睡眠中的大脑 —— 以观察它是否以及如何影响动物醒着时的记忆。

通过这种方法，研究小组能够看到，在非快速眼动睡眠阶段的一个子集中，新的记忆在大脑中被重播和巩固，这与动物的瞳孔收缩相对应。然后，当瞳孔扩大时，它标志着非快速眼动睡眠的另一个阶段，这个阶段与相同的过程有关，但与较老的、已建立的记忆和学习有关。从本质上讲，这两个通道的活动阻止了大脑保存新“文件”而不是旧“文件” —— 也被称为“灾难性干扰” —— 同时保持长期记忆。

Olivia说：“这就像新知识，旧知识，新知识，旧知识，在整个睡眠过程中缓慢波动。”“我们提出，大脑有一个中间时间尺度，将新知识与旧知识区分开来。”

这与人类大脑和睡眠有什么关系呢？嗯，根据这项研究，比之前认为的更紧密。研究人员收集的实时记录显示，睡眠中的老鼠的大脑活动和复杂的睡眠阶段与我们非常相似。当老鼠的睡眠受到干扰以阻止这些不同的记忆阶段时，随后的迷宫测试显示，动物获得学习和完成需要短期或长期记忆回忆的任务的能力存在显著差异。

研究人员写道：“非快速眼动睡眠有一种固定的微观结构，可以调节记忆的回放。”瞳孔大小在一分钟的时间尺度上在收缩和扩张的基底状态之间振荡，表明不同海马网络状态之间的交替。尽管锐波涟漪（SWRs）在整个非快速眼动睡眠中都有发生，但与大瞳孔状态相比，在小瞳孔状态下的SWR中发生了最近经历的重演。”

干扰瞳孔扩张亚状态下的SWR对近期学习（短期记忆）的记忆表现没有实际影响，这表明这种神经元活动在瞳孔收缩时的睡眠亚阶段起着关键作用。

研究人员指出：“总之，我们的研究揭示了在非快速眼动睡眠中存在不同的亚状态和机制，这些亚状态和机制将最近和以前的记忆的重播分开。”“这一发现为生物和人工神经网络长期存在的问题提供了一个潜在的解决方案，即防止灾难性干扰，同时实现记忆整合。鉴于瞳孔测量法被广泛用作研究人类认知的非侵入性技术，我们的研究结果可以帮助改进非侵入性干预实验，以改善人类记忆，例如靶向记忆再激活，这通常缺乏特定大脑过程的时间分辨率，对记忆有不同的影响。”

这项引人入胜的研究对睡眠如何促进学习和记忆提供了更深入的理解，并可能为有针对性的干预铺平道路，例如加强特定的睡眠阶段，以优化对新学信息的记忆巩固，或帮助识别记忆障碍。

这项研究发表在《自然》杂志上。

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