对睡眠时大脑活动的新见解可能有助于为患有神经系统疾病或损伤的人创造工具
人类为什么要睡觉？这个问题已经被科学家们争论了数百年，医院(MGH)研究人员最近与布朗大学、退伍军人事务部和其他几个机构的专家合作进行的一项研究为解开这个谜团。他们的研究最近发表在《神经科学杂志》上，可能有助于解释个人如何记忆事物和掌握新技能。它还可能有助于为患有神经系统疾病或受伤的人创建辅助工具。
该研究的主要作者、MGH神经技术和神经恢复中心的神经学家DanielRubin医学博士表示，科学家们早就知道，在睡眠期间，会发生一种被称为“重播”的现象。回放被认为是大脑用来回忆新信息的一种机制。当老鼠被教导在迷宫中导航时，监控设备可能会指示出精确的脑细胞或神经元模式，当它沿着正确的路径前进时会亮起。“然后，稍后，当动物睡觉时，你可以看到这些神经元会以同样的顺序再次放电，”鲁宾说。科学家推测，这就是大脑在睡眠期间练习新获得的知识的方式，从而巩固记忆——即从短期记忆转变为长期记忆。
然而，重播仅在实验动物中正确显示。“神经科学界有一个悬而未决的问题：这个模型在多大程度上是我们学习人类事物的模型？不同类型的学习是否也是如此？”神经学家SydneyS.Cash博士问道，他是MGH神经技术和神经恢复中心的联合主任，也是该研究的共同资深作者。Cash说，重要的是，了解运动技能的学习是否会发生重放可能有助于指导为患有神经系统疾病和损伤的人开发新的疗法和工具。
为了研究重放是否发生在人类运动皮层——控制运动的大脑区域——Rubin、Cash和他们的同事招募了一名患有四肢瘫痪（也称为四肢瘫痪）的36岁男性，这意味着他无法移动上肢和下肢，在他的情况下是由于脊髓损伤。这名男子在研究中被确定为T11，是脑机接口设备临床试验的参与者，该设备允许他在屏幕上使用计算机光标和键盘。该研究设备由BrainGate联盟开发，该联盟由多个机构的临床医生、神经科学家和工程师共同参与，旨在创造技术来恢复患有神经系统疾病、受伤或肢体丧失的人的沟通、活动能力和独立性。该联盟由医学博士LeighR.Hochberg领导，
在这项研究中，T11被要求执行一项类似于电子游戏Simon的记忆任务，其中玩家观察闪烁的彩色灯光模式，然后必须回忆并重现该序列。他只是想着自己手的动作，就控制了电脑屏幕上的光标。植入T11运动皮层的传感器测量了神经元放电的模式，这反映了他预期的手部运动，使他能够在屏幕上移动光标并在他想要的位置单击它。这些大脑信号被记录下来并无线传输到计算机。
那天晚上，当T11在家睡觉时，他的运动皮层的活动被记录下来并无线传输到电脑上。“我们的发现令人难以置信，”鲁宾说。“他基本上是在睡梦中玩游戏。”鲁宾说，有几次，T11在睡眠期间的神经元放电模式与他当天早些时候进行记忆匹配游戏时发生的模式完全匹配。
“这是人类睡眠期间所见过的运动皮层回放的最直接证据，”鲁宾说。研究中检测到的大部分回放发生在慢波睡眠期间，这是一个深度睡眠阶段。有趣的是，当T11处于REM睡眠（最常与做梦相关的阶段）时，重播的可能性要小得多。鲁宾和卡什将这项工作视为更多地了解回放及其在人类学习和记忆中的作用的基础。
“我们的希望是，我们可以利用这些信息来帮助建立更好的脑机接口，并提出帮助人们更快、更有效地学习的范式，以便在受伤后重新获得控制权，”Cash说，并指出了移动这一点的重要性。从动物到人类受试者的探究线。“这种研究极大地受益于我们与参与者的密切互动，”他补充道，感谢T11和BrainGate临床试验的其他参与者。
霍赫伯格同意。“我们令人难以置信的BrainGate参与者不仅为创建一个恢复沟通和移动性的系统提供了有益的反馈，而且他们还为我们提供了推进基本人类神经科学的难得机会——了解人类大脑如何在个体回路水平上工作神经元，”他说，“并利用这些信息来构建下一代恢复性神经技术。”
鲁宾还是哈佛医学院(HMS)的神经病学讲师。Cash是HMS的神经病学副教授。Hochberg是HMS神经病学高级讲师和布朗大学工程学教授。
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