1865年，弗里德里希·奥古斯特·凯库勒从一个奇怪的梦中醒来：他梦见一条蛇形成一个圆圈，咬住了自己的尾巴。和当时许多有机化学家一样，凯库勒一直在拼命研究苯的真实化学结构，这个问题一直困扰着人们的理解。但是，据说凯库勒梦见一条蛇吞噬自己的尾巴，这帮助他准确地意识到苯的结构形成了一个环。这一洞察为理解有机化学开辟了道路，并为凯库勒赢得了德国贵族的头衔。
虽然我们大多数人都没有被授予爵位，但凯库勒的问题解决方式却令人感到熟悉。无论是决定去哪所大学，接受一份具有挑战性的工作邀请，还是向未来的配偶求婚，“睡个好觉”似乎都能为我们提供理清生活难题所需的清晰思路。但是，睡眠是如何为我们呈现答案的呢？
最新的研究表明，当我们安然入睡时，我们的大脑正忙于处理当天的信息。它梳理最近形成的记忆，对其进行稳定、复制和归档，以便它们在第二天更有用。一夜睡眠可以使记忆更能抵抗来自其他信息的干扰，并使我们能够在第二天早上更有效地回忆和使用它们。睡眠不仅能加强记忆，还能让大脑筛选新形成的记忆，甚至可能识别出哪些值得保留，并有选择性地维护或增强记忆的这些方面。当一张图片包含情感和非情感元素时，睡眠可以保存重要的情感部分，而让不太相关的背景逐渐消失。它可以分析记忆的集合，以发现它们之间的关系，或识别记忆的要点，同时不必要的细节逐渐消失——甚至可能帮助我们找到我们所学内容的意义。
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不仅仅是休息
如果您觉得这个消息令人惊讶，您并不孤单。直到20世纪50年代中期，科学家们普遍认为，当我们打盹时，大脑是关闭的。尽管德国心理学家赫尔曼·艾宾浩斯在1885年就有了睡眠可以保护简单记忆免于衰退的证据，但几十年来，研究人员将这种效应归因于对干扰的被动保护。他们认为，我们之所以会忘记事情，是因为所有涌入的新信息都挤出了现有的记忆。但是，由于在我们闭上眼睛睡觉时没有任何信息进来，我们只是没有忘记那么多。
然后，在1953年，芝加哥大学已故生理学家尤金·阿塞林斯基和纳撒尼尔·克莱特曼发现了睡眠期间大脑活动的丰富变化，科学家们意识到他们遗漏了一些重要的东西。阿塞林斯基和克莱特曼发现，我们的睡眠遵循90分钟的周期，进出快速眼动（REM）睡眠。在REM睡眠期间，我们的大脑电波——由大规模大脑活动产生的振荡电磁信号——看起来与我们清醒时产生的电波相似。在随后的几十年里，魁北克拉瓦尔大学已故的米尔恰·斯特里亚德和其他神经科学家发现，在这些REM阶段之间，在被称为慢波睡眠的时期，当大量脑细胞以每秒一到四次的稳定节律同步放电时，个别神经元集合会独立放电。因此，很明显，睡眠中的大脑不仅仅是“休息”，无论是在REM睡眠还是在慢波睡眠中。睡眠正在做一些不同的事情。一些积极的事情。
通过睡眠来记住
我们对睡眠和记忆的理解的转折点出现在1994年的一项开创性研究中。以色列魏茨曼科学研究所的神经生物学家阿维·卡尔尼、多夫·萨吉及其同事表明，当志愿者获得一夜睡眠时，他们在快速区分他们看到的物体的任务中有所进步——但仅当他们获得了正常量的REM睡眠时。当受试者被剥夺REM睡眠时，这种进步消失了。表现实际上在一夜之间上升的事实否定了被动保护的想法。一定有某些事情发生在睡眠中的大脑中，改变了前一天形成的记忆。但卡尔尼和萨吉将REM睡眠描述为一种允许状态——一种可能允许变化发生的状态——而不是一种必要的状态。他们提出，这种无意识的进步可能发生在白天或晚上。他们认为，重要的是，进步只能发生在夜晚的一部分时间，即REM睡眠期间。
直到我们中的一位（斯蒂克戈尔德）在2000年重新审视这个问题时，才清楚地认识到，睡眠实际上可能是这种进步发生的必要条件。使用相同的快速视觉辨别任务，我们发现，只有在睡眠超过六个小时后，人们在学习课程后24小时内的表现才会提高。REM睡眠不是唯一重要的组成部分：慢波睡眠也同样至关重要。换句话说，睡眠——在其所有阶段——确实可以改善记忆，而清醒状态则不能。
为了理解这怎么可能，回顾一些记忆基础知识会有所帮助。当我们在大脑中“编码”信息时，新产生的记忆实际上只是开始一段漫长的旅程，在此期间，它将被稳定、增强和定性地改变，直到它只剩下与原始形式的微弱相似之处。在最初的几个小时内，记忆可以变得更稳定，更能抵抗来自竞争记忆的干扰。但在更长的时间内，大脑似乎会决定哪些是重要的记忆，哪些是不重要的记忆——详细的记忆会演变成更像故事的东西。
2006年，我们证明了睡眠稳定记忆的强大能力，并进一步证明了睡眠仅被动（因此是短暂地）保护记忆免受干扰的神话是错误的。我们推断，如果睡眠仅仅为记忆提供短暂的好处，那么睡眠后的记忆应该再次容易受到干扰。我们首先训练人们记住A-B模式的单词对（例如，“毯子-窗户”），然后让一些志愿者睡觉。稍后，他们都学习了A-C模式的单词对（“毯子-运动鞋”），这旨在干扰他们对A-B对的记忆。正如预期的那样，与保持清醒的人相比，睡觉的人可以记住更多的A-B对。当我们引入干扰性A-C对时，那些睡觉的人对A-B组的记忆更强、更稳定就更加明显了。睡眠改变了记忆，使其变得稳健，并且在接下来的一天中更能抵抗干扰。
但睡眠对记忆的影响不仅限于稳定。仅仅在过去的几年里，许多研究已经证明了睡眠期间发生的记忆处理的复杂性。事实上，似乎当我们睡觉时，大脑甚至可能正在剖析我们的记忆，只保留最突出的细节。在一项研究中，我们创建了一系列图片，其中包括中性背景上的不愉快或中性物体，然后让人们一个接一个地观看这些图片。12小时后，我们测试了他们对物体和背景的记忆。结果非常令人惊讶。无论受试者是保持清醒还是睡觉，他们对所有事物的记忆准确率都下降了10%。也就是说，除了睡了一夜之后对情感性物体的记忆。对情感性物体的记忆不仅没有恶化，反而似乎在一夜之间提高了几个百分点，相对于不断恶化的背景，显示出大约15%的改善。再过几个晚上，人们可以想象，剩下的只会是情感性物体。我们知道，随着时间的推移，现实生活中的事件会发生这种删减，但现在看来，睡眠可能在情感记忆的这种演变中发挥着至关重要的作用。
大脑究竟是如何加强和增强记忆的，在很大程度上仍然是一个谜，尽管我们可以对基本机制做出一些有根据的猜测。我们知道，记忆是通过改变成百上千甚至数百万神经元之间连接的强度来创建的，从而使某些活动模式更有可能再次发生。当这些活动模式重新激活时，就会导致记忆的Recall——无论该记忆是我们把车钥匙放在哪里，还是一对词语，如“毯子-窗户”。突触强度的这些变化被认为是由一种称为长时程增强的分子过程产生的，这种过程加强了同时放电的神经元对之间的连接。因此，一起放电的细胞会连接在一起，将模式锁定到位以供将来回忆。
在睡眠期间，大脑会重新激活白天执行的神经活动模式，从而通过长时程增强来加强记忆。1994年，神经科学家马修·威尔逊和布鲁斯·麦克诺顿（当时都在亚利桑那大学）首次使用植入物监测大鼠大脑活动，证明了这种效应。他们教会这些大鼠绕着跑道寻找食物，同时记录啮齿动物大脑中的神经元放电模式。海马体——一个对空间记忆至关重要的大脑结构——创建了跑道的地图，当大鼠穿过跑道的每个区域时，不同的“位置细胞”会放电[参见詹姆斯·J·克尼里姆的文章“你大脑中的矩阵”；大众科学，2007年6月/7月]。位置细胞与确切的物理位置非常接近，以至于研究人员只需观察哪些位置细胞在任何给定时间放电，就可以监测大鼠在跑道上的进展。更令人感兴趣的是：当威尔逊和麦克诺顿继续记录这些位置细胞在大鼠睡觉时的活动时，他们看到这些细胞继续以相同的顺序放电——就好像大鼠在睡眠中“练习”绕跑道跑步一样。
当这种无意识的排练加强记忆时，更复杂的事情也在发生——大脑可能正在有选择地排练任务中更困难的方面。例如，马修·P·沃克在2005年在哈佛医学院的工作表明，当受试者学习在键盘上键入复杂的序列，如4-1-3-2-4（很像学习新的钢琴乐谱）时，在练习课程之间睡觉会导致更快、更协调的手指移动。但经过更仔细的检查，他发现人们并没有简单地在这个打字任务上全面提高速度。相反，每个受试者都在他或她最不擅长的特定击键序列上变得更快。
大脑至少部分地通过在夜间移动这些序列的记忆来实现这种改进。沃克使用功能性磁共振成像显示，他的受试者在睡觉后使用了不同的大脑区域来控制他们的打字。第二天，打字引发了右侧初级运动皮层、内侧前额叶、海马体和左侧小脑中更多的活动——这些区域将支持更快、更精确的按键动作——以及顶叶皮层、左侧岛叶、颞极和额极区域中较少的活动，这些区域的抑制表明有意识和情感努力的减少。整个记忆得到了加强，尤其是那些最需要加强的部分，睡眠正在使用与学习任务时使用的大脑不同部分来完成这项工作。
黑暗中的解决方案
睡眠对记忆的这些影响令人印象深刻。更令人兴奋的是，最近的发现表明，睡眠还有助于对新记忆进行积极分析，使大脑能够解决问题并推断出新信息。2007年，我们中的一位（艾伦博根）表明，大脑会在我们睡觉时学习。该研究使用了一项传递推理任务；例如，如果比尔比卡罗尔年长，卡罗尔比皮埃尔年长，传递律清楚地表明比尔比皮埃尔年长。做出这种推断需要将这两个信息片段拼接在一起。人和动物倾向于在没有太多有意识思考的情况下做出这些传递推理，而这样做能力是一种非常有用的认知技能：我们在没有直接学习的情况下发现了新信息（比尔比皮埃尔年长）。
在比尔和皮埃尔的例子中，这种推断似乎很明显，但在实验中，我们使用了彼此之间没有直观关系的抽象彩色形状，这使得任务更具挑战性。我们教会人们所谓的“前提对”——例如，他们学会了选择橙色椭圆形而不是绿松石色椭圆形，绿松石色椭圆形而不是绿色椭圆形，绿色椭圆形而不是佩斯利花纹椭圆形，依此类推。前提对暗示了一个等级结构——如果橙色比绿松石色更好，而绿松石色比绿色更受欢迎，那么橙色应该胜过绿色。但是，当我们在受试者学习前提对后20分钟测试他们这些新的配对时，他们尚未发现这些隐藏的关系。他们选择绿色的频率与选择橙色的频率相同，表现不比机会好。
然而，当我们在12小时后在同一天测试受试者时，他们正确选择的次数达到了70%。仅仅让时间过去就使大脑能够计算和学习这些传递推理。在12小时内睡觉的人表现得明显更好，以90%的准确率链接了最远的配对（例如橙色与佩斯利花纹）。因此，大脑似乎需要在我们学习信息后花时间来处理信息，将点连接起来，可以这样说——而睡眠提供了最大的好处。
在2004年的一项研究中，乌尔里希·瓦格纳和德国吕贝克大学扬·博恩实验室的其他人在实验中优雅地证明了睡眠对记忆的处理能力有多么强大。他们教会受试者如何使用冗长乏味的程序来解决特定类型的数学问题，并让他们练习了大约100次。然后，受试者被送走，并被告知在12小时后回来，届时他们被指示再尝试200次。
研究人员没有告诉他们的受试者的是，还有一种更简单的方法可以解决这些问题。研究人员可以判断受试者何时以及是否洞察到这种捷径，因为他们的速度会突然提高。事实上，许多受试者在第二次课程中确实发现了这个技巧。但是，当他们在两次课程之间获得一夜的睡眠时，他们发现它的可能性是原来的两倍半以上——59%的睡眠受试者找到了这个技巧，而两次课程之间保持清醒的受试者只有23%。不知何故，睡眠中的大脑正在解决这个问题，甚至不知道有一个问题需要解决。
睡眠的必要性
随着这些令人兴奋的发现越来越快地涌现，我们越来越确信一件事：当我们睡觉时，我们的大脑绝不是不活跃的。现在很清楚，睡眠可以通过增强和稳定记忆，以及在研究材料中找到模式（即使我们不知道可能存在模式）来巩固记忆。同样明显的是，减少睡眠会阻碍这些关键的认知过程：记忆巩固的某些方面只有在睡眠超过六个小时后才会发生。错过一个晚上，当天的记忆可能会受到损害——这在我们快节奏、睡眠不足的社会中是一个令人不安的想法。
但问题仍然存在：为什么我们的进化方式使得某些认知功能只能在我们睡觉时发生？白天进行这些操作难道不是更有意义吗？部分答案可能是，睡眠的进化压力在高等认知之前就已存在——免疫系统调节和高效的能量利用（例如，白天狩猎，晚上休息）只是在昼夜交替的星球上睡眠有意义的众多原因中的两个。而且，由于我们已经有了睡眠的进化压力，理论认为，大脑进化为明智地利用这段时间来处理前一天的信息：白天获取；晚上处理。
或者可能是另一种情况。记忆处理似乎是睡眠的唯一功能，它实际上要求生物体真正地睡眠——也就是说，变得意识不到周围环境并停止处理传入的感官信号。这种无意识的认知似乎需要与清醒时处理传入信号相同的脑力资源。因此，大脑可能必须关闭外部输入才能完成这项工作。相比之下，尽管免疫系统调节等其他功能可能更容易在生物体不活动时执行，但似乎没有任何理由表明生物体需要失去意识。因此，可能是这些其他功能被添加进来以利用已经为记忆而进化的睡眠。
关于我们的夜间认知，无论它是如何进化的，仍然存在许多其他问题。大脑究竟是如何完成这种记忆处理的？是什么化学或分子活动导致了这些影响？这些问题引发了一个关于记忆的更广泛的问题：是什么让大脑记住某些信息而忘记其他信息？我们认为，这里的教训是，理解睡眠最终将有助于我们更好地理解记忆。
这项任务可能看起来令人生畏，但这些难题是科学家们蓬勃发展的那种难题——而且它们可以被解答。首先，我们将不得不设计和进行越来越多的实验，慢慢地梳理出答案。但同样重要的是，我们将不得不睡个好觉，好好想想。
注：本文最初发表时的标题为“安静！睡眠中的大脑在工作。”