人類為什麼要睡覺？這個問題已經被科學家們爭論了幾百年，但最近麻省總醫院(MGH)的研究人員通過跟布朗大學、退伍軍人事務部和其他一些機構的專家合作進行的一項研究為解決這個謎團增加了新的線索。

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他們的研究最近發表在《Journal of Neuroscience》上，這可能有助於解釋個人如何記住事情和掌握新技能。另外，它還可能有助於為那些有神經系統疾病或受傷的人創造輔助工具。

據該研究的論文第一作者、MGH神經技術和神經恢復中心的神經學家Daniel Rubin博士介紹稱，科學家們早就知道在睡眠期間會發生一種被稱為“重放”的現象。重放被認為是大腦用來回憶新信息的一種機制。當一隻老鼠被教導瀏覽一個迷宮時，監測設備可能表明，當它遵循正確的路徑時腦細胞或神經元的精確模式會亮起。Rubin說道：“然後，以後，當動物在睡覺時，你可以看到這些神經元會以同樣的順序再次發射。科學家們推斷，這就是大腦在睡眠期間練習新獲得的知識的方式，並使記憶得到鞏固–也就是說，從短期記憶變成長期記憶。”

然而重放只在實驗室動物中得到了適當的展示。“在神經科學界一直有一個公開的問題。這個關於我們如何學習事物的模型在多大程度上對人類是真實的？它對不同種類的學習是真實的嗎？”神經學家Sydney S. Cash博士問道，他是MGH的神經技術和神經恢復中心的聯合主任，也是這項研究的論文共同第一作者。Cash指出，重要的是，了解運動技能的學習是否發生重放有助於指導神經疾病和損傷患者的新療法和工具的開發。

為了研究重放是否發生在人類運動皮層–管理運動的大腦區域–Rubin、Cash和他們的同事招募了一名36歲的四肢癱瘓（也叫四肢癱瘓）的男子，這意味著他的上下肢無法移動，在他的案例中是由於脊髓損傷。該名男子在研究中被確認為T11，是一個腦機接口設備臨床試驗的參與者，該設備可以讓他在屏幕上使用電腦光標和鍵盤。該研究設備是由BrainGate聯盟開發，該聯盟是由來自數個機構的臨床醫生、神經科學家和工程師合作開發，目的是創造技術來恢復患有神經疾病、受傷或肢體喪失的人的交流、行動和獨立。該聯盟由MGH、布朗大學和退伍軍人事務部的Leigh R. Hochberg博士指導。

在這項研究中，T11被要求執行一項類似於電子遊戲Simon的記憶任務，在該遊戲中，玩家觀察一個閃爍的彩燈圖案，然後必須回憶並重現該序列。他僅僅通過思考自己的手的動作來控制電腦屏幕上的光標。植入T11運動皮層的傳感器測量了神經元的發射模式，這反映了他預期的手部運動，這使得他能在屏幕上移動光標並在他想要的位置點擊它。這些大腦信號被記錄下來並以無線方式傳輸到一台電腦上。

那天晚上，當T11在家裡睡覺時，他的運動皮層的活動被記錄下來並無線傳輸到電腦上。Rubin說道：“我們發現的是非常不可思議的。他基本上是在睡夢中玩了一夜的遊戲。”Rubin指出，有幾次，T11在睡眠中的神經元發射模式跟他當天早些時候進行記憶匹配遊戲時的模式完全一致。“這是有史以來在人類睡眠期間看到的運動皮層重放的最直接證據。”

據悉，研究中檢測到的大部分重放都發生在慢波睡眠期間，這是一個深度沉睡的階段。有趣的是，當T11處於快速眼動睡眠時，檢測到重放的可能性要小得多，而快速眼動睡眠是最常跟做夢相關的階段。Rubin和Cash認為這項工作是學習更多關於重放及其在人類學習和記憶中的作用的基礎。

Cash表示：“我們的希望是，我們可以利用這些信息來幫助建立更好的腦機接口並提出一些範例從而幫助人們更快更有效地學習，以便在受傷後重新獲得控制。”另外，他還補充稱：“這種研究從我們與參與者的密切互動中獲益匪淺，”他對T11和BrainGate臨床試驗的其他參與者表示感謝。

Hochberg也表達了贊同。他說道：“我們令人難以置信的BrainGate參與者不僅為創建一個恢復交流和行動能力的系統提供了有益的反饋，而且他們還為我們提供了推進人類基本神經科學的難得機會–了解人類大腦如何在單個神經元的電路水平上工作並利用這些信息建立下一代恢復性神經技術。