據(jù)說，人的一生有三分之一都在睡眠中度過，而睡眠中各種光怪陸離的“夢(mèng)境”時(shí)常帶著神秘。千百年來，無數(shù)人都試圖解析“夢(mèng)境”背后的意義，更有甚者相信通過夢(mèng)境可以預(yù)測(cè)未來，從我國(guó)“周公解夢(mèng)”的流傳程度便可見一斑。
而在現(xiàn)代生物科學(xué)研究中，腦科學(xué)研究是最為神秘的一個(gè)研究領(lǐng)域，目前世界各國(guó)都相繼推出了自己的腦科學(xué)計(jì)劃，都試圖在破解人類大腦之謎中走在前列。那么，面對(duì)大腦每天產(chǎn)生的各種“夢(mèng)境”，如何用現(xiàn)代科學(xué)去解析“夢(mèng)境”的發(fā)生發(fā)展和功能是腦科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題。
圖1 標(biāo)題
休息時(shí)“復(fù)盤”是我們現(xiàn)在經(jīng)常聽到的一種學(xué)習(xí)方法，通過回憶總結(jié)過去經(jīng)歷的得失從而進(jìn)行學(xué)習(xí)提高。這個(gè)過程反映的是我們的大腦在沒有接收持續(xù)的新刺激時(shí)，可能會(huì)通過重新激活以往的記憶神經(jīng)元來進(jìn)行學(xué)習(xí)。這個(gè)過程經(jīng)常發(fā)生在我們走神、發(fā)呆、白日夢(mèng)或者睡眠期間。現(xiàn)代腦科學(xué)研究已經(jīng)在海馬體、杏仁核、前額皮質(zhì)、視覺皮層和大腦其他地方都觀察到了這些腦部行為背后神的經(jīng)元變化。
然而，以往關(guān)于這種大腦在休息中“復(fù)盤”機(jī)制的研究?jī)H僅涉及到幾十到幾百個(gè)神經(jīng)元，而重新激活與之前刺激之間的異同點(diǎn)仍然是未知的。為了解決上述問題，12月13日國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature》在線發(fā)表了哈佛醫(yī)學(xué)院Andermann教授團(tuán)隊(duì)的最新研究成果，他們通過記錄大腦視覺皮層中的6900個(gè)神經(jīng)元在幾天內(nèi)的活動(dòng)，探究了關(guān)于大腦視覺皮層的刺激和重新激活的機(jī)制，簡(jiǎn)單來說就是探究了我們?cè)趫D片不經(jīng)意間走神時(shí)的腦神經(jīng)變化。
圖2安靜醒來時(shí)外側(cè)視覺皮層的分布式刺激再激活
首先，研究人員探究了實(shí)驗(yàn)鼠腦部皮層神經(jīng)元的激活分布模式。8只小鼠被固定并每天給與 64 種視覺刺激中隨機(jī)兩種（S1和S2），并通過病毒注射鈣指示劑對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行鈣成像，結(jié)合觀察結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析表明橫向視覺皮層刺激再激活參與了這個(gè)過程，并且沒有大腦或眼球運(yùn)動(dòng)的增加，而這些有助于刺激重新激活的神經(jīng)元均勻分布在四個(gè)橫向視覺皮層區(qū)域。在刺激呈現(xiàn)和刺激重新激活期間，每個(gè)區(qū)域和深度的活動(dòng)水平相似。并且，研究人員發(fā)現(xiàn)數(shù)千個(gè)神經(jīng)元的成像提高了捕獲刺激重新激活的靈敏度。而當(dāng)隨機(jī)使用10%的神經(jīng)元進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，超過三分之二的已識(shí)別的重新激活被遺漏，并且假陽性重新激活的比率也隨之增加。
圖3呈現(xiàn) S1 或 S2 后 S1 和 S2 重新激活的單會(huì)話光柵圖
圖片此外，研究人員還觀察到小鼠整個(gè)訓(xùn)練過程中刺激重新激活率的不斷下降，這表明神經(jīng)元的重新激活率可能與最近接觸刺激的頻率成反比。并且，研究人員發(fā)現(xiàn)刺激新穎性與刺激周圍喚醒在調(diào)節(jié)重新激活率中發(fā)揮重要作用。進(jìn)一步地，研究人員探究了上述變化是否需要參與重新激活的相同皮層神經(jīng)元在先前的刺激呈現(xiàn)期間處于活動(dòng)狀態(tài)。通過光遺傳學(xué)方法抑制小鼠外側(cè)視覺皮層成像區(qū)域的興奮性神經(jīng)元的刺激誘發(fā)活動(dòng)，研究人員發(fā)現(xiàn)這種抑制極大降低了隨后的刺激再激活率和感覺偏差。因此，感覺體驗(yàn)期間的局部皮層活動(dòng)對(duì)于隨后出現(xiàn)的偏向重新激活是必要的。
圖4 刺激反應(yīng)模式的漸進(jìn)分離與重新激活率相關(guān)
之前的研究表明，這種神經(jīng)元的的重新激活模式可能在記憶鞏固和學(xué)習(xí)中發(fā)揮作用。盡管已知視覺皮層反應(yīng)模式會(huì)隨著重復(fù)呈現(xiàn)而逐漸變化，但重新激活與此過程的關(guān)系仍不清楚。通過使用相鄰 S1 和 S2 單試驗(yàn)響應(yīng)模式之間的 Pearson 相關(guān)性分析，ROICaT成像等方法研究人員發(fā)現(xiàn)在整個(gè)試驗(yàn)中，外側(cè)視覺皮層刺激、表征的演變與刺激特異性重新激活的速率密切相關(guān)，這表明重新激活與隨后的反應(yīng)模式正交化之間可能存在關(guān)系。
圖5 重新激活預(yù)測(cè)代表性漂移
最后，研究人員想要探究一下這種神經(jīng)元的重新激活是否能夠預(yù)測(cè)未來的刺激發(fā)生，研究人員將每個(gè)模式投影到會(huì)話中早期和晚期試驗(yàn)之間刺激誘發(fā)的群體活動(dòng)變化的軸上。結(jié)果發(fā)現(xiàn)從早期試驗(yàn)到晚期試驗(yàn)，刺激反應(yīng)模式和刺激重新激活模式會(huì)出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的演變，并且這種預(yù)測(cè)的刺激重新激活模式在整個(gè)試驗(yàn)中十分穩(wěn)定。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)這種預(yù)測(cè)不僅可以預(yù)測(cè)日內(nèi)表征漂移，還可以預(yù)測(cè)全天漂移。而對(duì)早期刺激誘發(fā)反應(yīng)和早期重新激活的活動(dòng)模式之間的對(duì)比分析表明這種神經(jīng)元重新激活的速率和模式對(duì)于預(yù)測(cè)刺激誘發(fā)反應(yīng)模式的未來內(nèi)容和變化率十分重要。此外，研究人員通過一個(gè)簡(jiǎn)單的啟發(fā)式模型證明了這種刺激的重新激活足以預(yù)測(cè)未來刺激誘發(fā)的反應(yīng)模式漂移的性質(zhì)和速率。
上文佶屈聱牙講了半天，可能很多讀者看的云里霧里。下面我們用通俗易懂的語言再總結(jié)下全文：
這篇頂級(jí)研究讓我們?cè)俅慰吹搅舜竽X的神奇之處，簡(jiǎn)單來說，我們過往的經(jīng)歷所產(chǎn)生的刺激會(huì)留在我們大腦中，當(dāng)我們?cè)诎l(fā)呆，小憩或者白日夢(mèng)時(shí)，這些刺激會(huì)重新在我們大腦中出現(xiàn)進(jìn)而塑造大腦的認(rèn)知、學(xué)習(xí)和記憶，并且這些新產(chǎn)生的大腦變化是可以被預(yù)測(cè)的，某種程度上可以達(dá)到：預(yù)知夢(mèng)的效果！而這背后的生物學(xué)機(jī)制，正是本文的標(biāo)題：皮質(zhì)重新激活預(yù)測(cè)未來的感覺反應(yīng)。
看完本文，是不是感覺自己走神、發(fā)呆，小憩或者白日夢(mèng)還挺有科學(xué)依據(jù)的？？
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