索尼娅深夜独自一人身处一个陌生的城镇，试图找到回家的路。地图显示了一条穿过黑暗森林的路线，森林中偶尔有灯笼照明。她带着不祥的预感看着地图，但看到也有其他人走这条路，便也选择了它。她快步走着，靠近了前方一对夫妇——一男一女——他们突然停下脚步，转过身抓住她。那个男人用一块布捂住了她的脸。她发现自己身处一个舞台上，天花板上镶嵌着一面镜子。一群手持枪支和刀具的男人包围了她；她即将遭受酷刑并被杀害。索尼娅捡起一块石头扔向天花板，天花板被打碎了。玻璃碎片像雨点般落下，刺穿了她的肩膀和脚。她逃进了森林，那对夫妇在后面追赶，他们可以读懂彼此的心思。那个女人看到了索尼娅逃跑的方向，并告诉了那个男人——索尼娅知道自己会被追捕到。
这个噩梦和类似的噩梦在几个月里每周困扰索尼娅大约两次。（她的真名已被隐去以保护隐私。）那些可怕的夜晚让她昏昏欲睡、易怒和情绪耗竭——这是噩梦障碍的症状。这种情况可能单独发生，也可能与更深层次的问题同时发生，例如创伤后应激障碍或焦虑症。日内瓦大学医院的睡眠专家开出了“意象排练”疗法。索尼娅要为一个糟糕的梦境创造一个积极的结局，并每天练习。对梦境的新理解往往会延续到睡眠中，从而减少噩梦的频率。
但这种技巧并不总是奏效，因此索尼娅加入了一项研究，以测试其改良版本。该试验利用睡眠的力量来巩固记忆——在这种情况下，是新的梦境叙事。在两周内，每天晚上花五分钟，索尼娅在家中一个安静的空间放松身心，想象穿过森林的路线通向一扇门，门打开后是一个明亮、色彩缤纷且感到安全的田野。当她和其他 17 位患有噩梦障碍的人排练他们的新故事情节时，他们通过耳机听到一个钢琴和弦，该和弦每 10 秒播放一次，最终将声音与叙事联系起来。
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在那两周里，他们在睡觉时都佩戴着一个睡眠工程头带。该设备可以检测到参与者何时进入快速眼动 (REM) 睡眠（之所以这样命名是因为在这个阶段眼睛会左右快速移动），此时人们会做最生动的梦。当他们做梦时，头带通过他们的颅骨传递出他们在清醒时听到的相同的钢琴和弦。
在睡眠期间，大脑会重播当天选择性的记忆，以将其铭刻到神经元中。专家称此过程为记忆巩固。在噩梦研究中，和弦提醒参与者他们更快乐的梦境。“我们想要增强这种特定的记忆，”日内瓦大学的精神病学家兰普罗斯·佩罗加夫罗斯（Lampros Perogamvros）说，他领导了这项研究。
这种联想使人们体验到更少的噩梦和更多的积极梦境。“即使你只在清醒时处理一种情景，任何主题的噩梦[例如被追逐]都会减少，”佩罗加夫罗斯说。研究人员在 2022 年报告称，对于那些在排练修改后的梦境时听到和弦的人来说，效果明显强于那些没有听到和弦的人。索尼娅就是其中之一，她完全停止做噩梦，心情也得到了改善。
操纵睡眠可能是走出谚语中森林的新途径——无论困扰是噩梦还是情绪、记忆甚至运动技能方面的问题。“睡眠是一个不设防的时间。这是一个我们的执行控制、理性思维、逻辑决策、冲动控制都被关闭的时间。因此，设法进入的刺激会以不同的方式处理，并且可能更有效，”哈佛医学院的认知神经科学家罗伯特·斯蒂克戈尔德（Robert Stickgold）说。
研究人员在人们睡眠时用来“进入”的技术范围很广，从电刺激患者的大脑到让他们接触让他们想起特定事实或经历的声音或气味。这些技术中的许多都是为了解码睡眠在记忆和认知中的作用而设计的。但它们也为加速中风后的康复或恢复随着年龄增长而丧失的记忆提供了方法。它们甚至可能能够抑制与特定记忆相关的负面情绪，这可能有助于缓解创伤后应激、焦虑、抑郁或其他精神健康状况。
“我最近的希望之一是我们可以有新的方法来帮助人们以愉快的心情醒来，”西北大学的记忆和睡眠研究员肯·帕勒（Ken Paller）说。为了使这些方法实用且普及，研究人员正在开发一系列人们可以在家使用的睡眠工程设备。专家表示，某些设备的临床应用还需要数年时间，他们还警告了潜在的风险。
加州大学洛杉矶分校的神经科学家吉娜·坡（Gina Poe）说，扰乱记忆可能会产生不可预见的后果，例如造成阻碍学习的失衡。“现在有点可怕，”坡说。“我们了解得不够。这有点像[当]幼儿。我们可以走路，但不知道我们要去哪里或如何避开危险。”
学者们数千年来一直怀疑睡眠可以巩固记忆。公元一世纪，罗马作家和教师马库斯·法比乌斯·昆提利安写道，“一个晚上的间隔将大大增强记忆力。”直到 20 世纪，这个过程的细节仍然晦涩难懂，当时脑电图仪的发明，这是一种通过放置在头皮上的一系列探针记录大脑活动的仪器，催生了研究，表明睡眠中的大脑以自己的电节律嗡嗡作响。
人们的睡眠周期大约每 90 分钟重复一次，通常在整夜睡眠中经历总共四到六个周期。第一个周期从轻度睡眠期开始，轻度睡眠期有两个不同的阶段。在第二阶段，神经元产生称为睡眠纺锤体的电信号簇——显然是因为当绘制成电压随时间变化的图表时，它们让科学家想起了缠绕在棍子上的羊毛。轻度睡眠下降到深度“慢波”睡眠，其中纺锤体继续存在，而缓慢、有节奏的电兴奋脉冲扫过大脑，覆盖着高频“波纹”爆发。在 REM 睡眠（第四阶段）中，大脑神经元的放电活跃度和随机性与白天一样，人们会体验到情绪激动且离奇的梦境。
研究人员推测，这种睡眠时的大脑活动可能有助于记忆。在 1970 年代，当时在剑桥大学三一学院的计算神经科学家大卫·马尔（David Marr）提出了一个理论，解释大脑如何将新信息与现有知识整合。在这个模型中，海马体（一个位于大脑两个半球的海马状结构）在白天存储信息。但是记忆痕迹仍然很脆弱，直到睡眠时，它们才会被加强并传递到大脑的皮层或外层，以进行长期存储并与其他记忆整合。
在 1994 年的一项里程碑式研究中，研究人员进行了大脑记录，显示海马体在慢波睡眠期间通过追溯记忆来巩固记忆。当一只老鼠在清醒时穿过迷宫时，其海马体神经元中的活动模式指定了老鼠在其跋涉中的位置。当老鼠睡觉时，研究人员再次记录了它的大脑活动，并发现了相同的神经模式——好像大脑在排练穿过迷宫的路径以将其记忆下来。十年后，科学家获得了人类重播的证据，方法是使用正电子发射断层扫描，该技术检测血流作为神经元活动的代表。当人们在虚拟城镇中学习路线时变得活跃的大脑区域在深度睡眠期间被重新激活——并且活动量与一个人记住路线的能力相关。
正如马尔所预测的那样，海马体中记忆的重播是巩固的关键。它似乎标记了某些记忆以进行安全保管，让日常生活的其余部分被抛在脑后。“你去杂货店购物，他们卖完了小番茄......你不想把那个记忆保留一生，”斯蒂克戈尔德说。“所以几乎所有东西都会被遗忘。睡眠的作用是弄清楚你不想忘记什么。”
到 2000 年代初期，科学家们知道，大多数深度睡眠的高压波都起源于大脑的决策中心——前额叶皮层，并且像平静海面上的波浪一样平稳而有规律地从大脑前部移动到后部。对动物和癫痫患者（特别是那些大脑中植入了电极以检测癫痫发作的个体）的研究表明，其他睡眠节律也与记忆过程有关。这些包括来自海马体的电活动波纹，可能反映了重播——并且与源自丘脑的睡眠纺锤体的波谷重合。当一个人清醒时，这个中继站会将来自感官的选定信息发送到大脑皮层进行解释，但是当某人睡着时，它会关闭大多数信号，因此该人通常不会意识到周围的环境。有趣的是，坡认为，每分钟的睡眠纺锤体数量与一个人的学习能力相关。
更进一步，一个惊人的巧合——或者更可能根本不是巧合，而是进化完善的夜间信息转移过程不可或缺的东西——波纹和纺锤体都随着慢波的升降而升降。“这是一个三部分交响曲，”斯蒂克戈尔德说。“海马体、丘脑和皮层齐心协力，加强特定的记忆。”
尽管如此，睡眠中的大脑分析和整合记忆的证据仍然是间接的，直到实验人员找到影响该过程的方法。“我们可以操纵波浪吗？”蒂宾根大学的行为神经科学家扬·博恩（Jan Born），当时在吕贝克大学，想知道。他和他在吕贝克大学的团队通过睡眠受试者的头皮施加振荡电流，以增加慢波的幅度。他们在 2006 年发表的一篇文章中报告说，这种操作增强了记忆力。但是，电场似乎在大脑的解剖褶皱中不可预测地变化。因此，该团队转向声音，博恩认为，通过生物通道：耳朵，声音的处理会更可靠。
研究人员向睡眠者播放了柔和的咔哒声，时间与他们的慢波的上升阶段同步。在单个晚上给予刺激后，大大增强了慢波和纺锤体的大小和持续时间。关键的是，与单独睡眠后的表现相比，干预措施改善了参与者对 120 对单词的记忆，该团队在 2013 年报告说。这项工作直接将慢波睡眠的振荡与记忆联系起来——并指出了一种利用慢波睡眠来改善记忆的方法。
“这是一个睡眠工程的想法：我们可以让生理学更有效地运行吗？或者，如果它运行得不太好，我们可以调整它，使其运行得更好吗？”帕勒问道。慢波会随着年龄的增长而减弱，这可能解释了与年龄相关的记忆问题。补充慢波可以减轻记忆力下降吗？西北大学的神经学家罗尼尔·马尔卡尼（Roneil Malkani）和菲利斯·齐（Phyllis Zee）与帕勒等人合作，成功地使用声音来增强回忆轻度认知障碍患者中九分之五的人的单词对的能力。
然而，这些干预措施只持续了一个晚上。在实践中，阻止记忆力下降最有可能需要更长期的治疗。理论上，通过手术植入的电极在睡眠期间刺激大脑可以持续巩固记忆。加州大学洛杉矶分校健康中心的神经外科医生伊扎克·弗里德（Itzhak Fried）和他的同事最近表明，他们可以使用这种深部脑刺激来增强记忆。弗里德植入电极是为了检测严重癫痫患者的癫痫发作。但是，当这些患者处于睡眠状态且没有癫痫发作时，他使用电极来感知和改变他们的深度睡眠振荡。
当慢波处于上升阶段时，其中一个电极发出一个电脉冲，以增强“波纹、纺锤体和慢波的三重巧合”，弗里德说。所有六位在前额叶皮层接受这种刺激的个体，在电极激活的夜晚之后，与未受干扰的睡眠后的记忆相比，显示出对图片对的更好回忆，科学家在 2023 年报告说。记忆力改善的程度与大脑电模式的转变相关。
“我们正在改变睡眠的结构，”弗里德说。“我们的目标是真正尝试看看我们是否可以拥有记忆辅助工具或记忆神经修复设备”——类似于听力受损人士的耳蜗植入物。
致谢：Ni-ka Ford（大脑）和 Jen Christiansen
除了通过增强睡眠大脑中的电波来改善一般记忆力外，科学家们还发现了各种增强特定记忆力但不增强其他记忆力的方法。这种策略的首次尝试涉及气味。博恩的团队要求人们闻玫瑰香味，同时学习网格中物体的位置。然后，他们在睡眠期间让一些参与者接触这种香味。研究人员在 2007 年报告说，当在慢波睡眠期间传递香味时，香味会刺激睡眠者的大脑重新审视他们学到的东西，并显着提高他们对位置的回忆（与那些在睡眠期间未接触气味或仅在 REM 睡眠期间接触气味的人相比）。脑部成像显示，气味强烈激活了海马体，进一步表明刺激增强了重播。
两年后，帕勒和他的同事表明，他们可以使用声音做类似的事情。研究人员在人们记住计算机屏幕上 50 个物体的位置时播放了独特的声音。例如，当看到猫的图片时，参与者会听到猫叫声；当看到水壶时，他们会听到哨声。然后，科学家在午睡期间播放了 25 种声音，之后人们记住与这些声音相关的物体的位置比记住其他物体的位置更好——如果他们听到哨声而不是猫叫声，那么他们在回忆水壶在屏幕上的位置时会比猫更准确。
帕勒的方法，他称之为目标记忆再激活或 TMR，作为一种增强特定记忆的方法而受到关注。2022 年，他当时的研究生内森·惠特莫尔（Nathan Whitmore）表明，TMR 可以改善对人脸和姓名的记忆，在那些拥有最长和最不间断的慢波睡眠的人中效果最强。帕勒说，这种方法可能有助于老年人记住对他们重要的事实，例如他们孙子的名字。
TMR 还可以改善程序性记忆，这是从演奏钢琴曲到完善跳投等技能的基础。人们在睡眠后执行学到的手指运动序列的速度更快。如果在慢波睡眠期间重新激活对该序列的记忆——例如，通过播放人们在学习每个手指运动时听到的音调——性能会进一步提高。
类似的方法可以加速中风患者的康复，中风使人们无法进行基本运动。康复包括每天练习这些技能。“如果你想使用牙刷或拿起盐，你必须有选择地控制一些肌肉，而不是其他肌肉，”帕勒说。为了教授这类技能，西北大学的神经学家马克·斯卢茨基（Mark Slutsky）开发了一个简单的 1980 年代风格的视频游戏，用户必须激活一两个肌肉，将光标从屏幕中心移动到周边的八个目标之一——红色方块，当光标到达时会变成绿色。
在 2021 年的一项研究中，帕勒、斯卢茨基和他们的同事表明，TMR 可以提高人们在这个游戏中的表现。在瞄准每个目标时，20 名健康的年轻人听到了一种独特的声音，例如猫叫声、鼓声或铃声。练习几个小时后，他们进行了 90 分钟的午睡。当他们进入慢波睡眠时，他们以五秒的间隔听到了一些声音。醒来后，他们在导航到与午睡期间播放的声音相关的红色方块目标时，在速度、效率和肌肉选择方面表现出更高的性能。帕勒、斯卢茨基和他们的同事正在手臂移动困难的中风患者中测试类似的程序。
TMR 的前沿版本将声音提示与慢波同步。“我们何时应用这些触发器至关重要，”威尔士卡迪夫大学的神经科学家佩内洛普·刘易斯（Penelope Lewis）说。她和她的同事发现，该技术可以提高对物体之间关系的学习——在这种情况下，是一组六张照片中的隐藏排名——但前提是表示该关系的声音在慢波的峰值而不是波谷期间播放。在一个相关的发现中，牛津大学的认知神经科学家伯恩哈德·斯塔雷西纳（Bernhard Staresina）和现在在英国埃塞克斯大学的洪-越·V·吴（Hong-Viet V. Ngo）报告说，当他们将特定声音提示与慢波的上升同步时，动词-图片关联的记忆力得到改善。此外，在这种阶段的提示延长了波浪并增加了相关纺锤体的力量。
干预慢波睡眠还可以改变与特定记忆相关的情绪——这可能有助于精神健康。香港大学的认知神经科学家胡晓青和他的同事使用 TMR 通过建立与乐观词语的关联，为厌恶记忆赋予积极意义。他们教人们将无意义的词语与令人不安的照片联系起来，然后在慢波睡眠期间，将无意义的提示与积极的词语一起重播。研究人员在 2023 年报告说，之后，人们对提示照片的反感程度低于之前。同样，当积极的词语与慢波振荡的上升阶段一致时，效果最强。
慢波睡眠在记忆巩固中的作用现已得到充分证实，但 REM 睡眠的功能尚不清楚。这个阶段的梦境通常看起来不合逻辑，因为大脑前额叶皮层的部分（控制理性思维）处于离线状态，而控制视觉、运动和情感的大脑区域仍然活跃。然而，一种新兴的理论是，REM 睡眠期间做的奇幻梦境可以驯服与记忆相关的情绪，并帮助人们更广泛地理解发生在他们身上的事情。
神经科学家马修·沃克（Matthew Walker）在《我们为什么要睡觉：解锁睡眠和梦境的力量》（Scribner，2017 年）中写道：“REM 睡眠做梦提供了一种夜间疗法。”“[它]消除了困难甚至创伤性情绪事件带来的痛苦刺痛。”在 REM 睡眠期间，去甲肾上腺素（一种驱动恐惧反应的神经递质，例如出汗、心跳加快和瞳孔放大）的水平会降低。沃克和其他人说，因此，在 REM 睡眠期间浮出水面的记忆会与这些反应脱钩，从而将它们从情感负担中分离出来。（然而，在患有创伤后应激障碍的患者中，去甲肾上腺素水平仍然很高，噩梦会复发。）
如果该理论是正确的，那么诱导人们在 REM 睡眠期间重温困难的经历可能有助于化解与这些经历相关的令人不安的情绪。在 2021 年的一项研究中，人们在将图片与特定声音联系起来并在 REM 睡眠期间接触这些声音后，认为令人不安的图片不太令人困扰。相比之下，当声音在慢波睡眠期间播放时，没有效果。刘易斯认为，如果类似的事情对人们的现实生活记忆有效，那么这可能是治疗抑郁症或 PTSD 的途径。
REM 睡眠梦境也可能通过潜意识学习来帮助化解与事件相关的强烈情绪。人们通常不会梦到令人不安的事件本身，而是梦到更良性、相关的记忆，从而让他们潜意识地将两种体验联系起来。斯蒂克戈尔德举了一个例子：如果他在白天发生了一起差点发生车祸的事件后感到心烦意乱，他可能会梦到和儿子一起玩碰碰车。这个梦境会帮助斯蒂克戈尔德意识到，如果车祸真的发生了，“可能只是我的挡泥板被撞坏了。[但是]我的反应好像我刚刚死里逃生，”斯蒂克戈尔德推测。“这对我来说可能变得清晰，因为我有这个与碰碰车相关的记忆，在那里什么坏事都不会发生。”
致谢：Blend Images/Inti St Clair/Getty Images（儿童）；sarayut Thaneerat/Getty Images（日落）
通过这种方式，REM 睡眠梦境可以提供视角。“你必须让大脑构建这个梦境叙事，以评估对它的情绪反应，”斯蒂克戈尔德说。TMR 可以用来塑造这种叙事，而日内瓦的噩梦障碍研究突出了这种干预措施的可能性。它还可以使传统的心理治疗形式更有效。“任何心理治疗方法都旨在改变行为、习惯、思想。因此，心理治疗是一种学习形式，”噩梦障碍研究的第一作者、日内瓦大学的神经科学家索菲·施瓦茨（Sophie Schwartz）说。“使用 TMR，我们可以促进这种学习。”
大多数睡眠工程研究都需要患者或志愿者进入实验室或其他机构环境，这限制了干预的范围和有效性。人们不想在实验室里睡超过一两个晚上。但是，“如果这项技术是可穿戴和便携的，它很可能可以嵌入到某人的生活中，”牛津大学的认知神经科学家海蒂·约翰森-伯格（Heidi Johansen-Berg）说。“因此，即使任何一天的益处都很小，你也可以想象这些累积的益处会随着时间的推移而显着增加。”
可以在家使用的商业设备很可能成为在睡眠期间增强治愈能力的重要途径。目前正在测试一种此类发明，以评估其提高语言记忆力和加速中风康复的能力，它包括一块收集运动和心率数据的智能手表，以及一部播放声音的智能手机。机器学习模型识别深度睡眠期并在这些时期内触发 TMR 声音。在 2022 年发表的研究中，惠特莫尔和其他人发现，在家中使用这项技术三个晚上提高了人们对物体位置的记忆——只要声音播放得足够柔和，不会打扰睡眠者。
对于使人衰弱的噩梦，医生已经可以开出一个手机应用程序，该应用程序使用人工智能来分析来自 Apple Watch 传感器的生物特征数据。当传感器检测到与噩梦相关的脉搏加快和躁动不安时，手表会发出间歇性的轻柔振动，以中断梦境而不会唤醒睡眠者。2023 年发表的来自65 名患有创伤引起的噩梦的退伍军人的试验数据表明，该设备在佩戴至少一半时间的情况下，显着提高了睡眠质量，正如退伍军人报告的那样。
亚当·哈尔·霍洛维茨（Adam Haar Horowitz），当时在麻省理工学院，和他的同事开发的一种手套状睡眠检测器也可能减少噩梦。该设备通过手腕和手上的触点监测睡眠开始的生物学迹象。它还连接到一个应用程序，该应用程序提供语音提示，例如“树”，在最近的一项研究中，该提示使午睡者梦到树木并增强了他们在与树木相关的任务中的创造力。
尽管睡眠工程前景广阔，但专家警告说，篡改记忆存在内在风险。“你正在偏向于大脑中优先强化的记忆，”刘易斯说。“如果你开始每天晚上都这样做，谁知道可能会造成什么样的失衡？”这些干预措施也可能会扰乱睡眠。例如，在惠特莫尔和帕勒的另一项实验中，当声音播放得太大声时，记忆力实际上会恶化。“在我们可以向普通人群推荐它之前，还有很多东西需要理解，”刘易斯说。
与此同时，这些实验加深了科学家对睡眠在记忆和情感中的作用的理解——以及睡眠如何塑造人们对世界和自身的看法。“这就是夜晚的目的，”斯蒂克戈尔德说。“它是为了获取白天产生的所有信息，并将它们与我们已经拥有的所有信息整合起来，以帮助你构建关于世界如何运作以及你的生活意味着什么的故事。”
至少对于索尼娅来说，目标记忆再激活已经结束了她在森林中的夜间围困。相反，一天晚上她梦到被邀请参加在小木屋举行的聚会。“有一个可以欣赏山景的露台，”她在梦境日记中写道。“我们都出去看日落。天空是深粉色的，天气非常美丽。突然，我感觉到腰间有一只手……这个人牵起我的手，带我到露台中央，我们开始在没有音乐的情况下跳舞。就像电影里一样，周围的世界开始快速旋转，我一生中第一次感到小鹿乱撞。”