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哈佛医学院
我们大多数人至少能回忆起一次在课堂上，半睡半醒，试图集中注意力学习所教内容，但却“毫无用处”的经历。这是为什么呢？当您尝试学习但因“太困”而失败时，到底出了什么问题？嗯，我不了解您，但对于一组 28 名 18-30 岁的年轻人来说，答案现在似乎更清楚了。在今年二月发表在《自然神经科学》（Nature Neuroscience）上的研究（“睡眠剥夺会损害人类形成新记忆的能力”）中，Seung-Schik Yoo、Matthew Walker 及其在哈佛医学院的合作者研究了有或没有睡眠剥夺的年轻受试者的记忆形成。为了充分理解他们的发现，您需要一些背景知识。
睡眠与记忆巩固
在过去的十年中，科学家们逐渐认识到睡眠和记忆之间复杂的关系。睡眠不仅能让大脑为编码新记忆做好准备，还能为大脑提供巩固和整合近期学习信息的机会。因此，睡眠可以使记忆更稳定，从而更不易受到干扰和衰退。例如，一个晚上的睡眠可以让您更好地识别前一天晚上学习过的视觉视野中的物体，并且可以让您更快更准确地打出前一天晚上练习过的一系列数字（Stickgold 的综述：摘要 或 PDF 下载）。但是，研究也表明，睡眠还可以识别、提取和存储记忆的关键特征，从而使记忆在第二天更加有用。因此，一个晚上的睡眠可以增加您发现数学程序隐藏捷径的可能性，而这个程序是您前一天晚上费力练习过的。
这种训练后睡眠的广泛益处表明，这种记忆处理是睡眠的主要功能之一。但我到目前为止描述的发现都与睡眠对已形成记忆的形成和回忆的益处有关。另一个问题是：睡眠如何帮助您在第二天更好地学习？或者，换句话说，缺乏睡眠如何影响您形成新记忆的能力？
睡眠与注意力
多年来，科学家们已经知道，无论您是否试图学习某些东西，睡眠对于集中注意力于任务都是必要的。具体而言，睡眠剥夺会导致额叶和顶叶中注意力网络的激活减少，这发生在各种认知任务中。此外，执行功能任务（被认为由前额叶皮层介导）在睡眠剥夺一夜后表现出比其他认知任务（如感知和记忆测试）更大的缺陷。这些发现使研究人员怀疑，仅仅是无法集中注意力导致了睡眠剥夺后记忆编码的缺陷。
睡眠与记忆编码
注意力下降应该可以解释睡眠不足的人形成新记忆能力差的原因，这似乎是理所当然的。然而，动物研究表明，这种记忆形成不良不仅仅是注意力问题。对人类和动物的研究都发现，大脑中被称为海马体的部分对于形成我们和动物稍后可以回忆起的新记忆至关重要。在分子水平上，这种记忆形成被认为依赖于一种称为长时程增强（LTP）的过程，该过程以一种使信号更容易在神经细胞之间传递的方式加强神经细胞之间的连接，这必然发生在稍后回忆记忆时。在从大鼠身上取出并在组织培养中维持的海马体切片中可以看到 LTP。对这些大鼠海马体切片的研究表明，如果您在取出并切片大鼠海马体之前剥夺其睡眠，则这些切片中的 LTP 会受损。这显然与切片注意力不集中无关；它与海马体功能有关。这就引出了 Yoo、Walker 及其同事的研究。
Yoo 及其同事使用功能性磁共振成像（fMRI）监测了前一天晚上正常睡眠或完全没有睡眠的大学年龄受试者的大脑活动。他们扫描了这些受试者的大脑，同时受试者浏览了 150 张人物、物体、风景和更复杂场景的图片，并将每张图片归类为室内或室外图片。两天后，当两组人都得到充分休息时，他们对受试者进行了突击记忆测试。他们向他们展示了相同的 150 张图片，并混合了 75 张新图片，并要求他们识别出之前见过的图片。两组都做得相当好，但睡眠剥夺组忘记的原始图片几乎是两倍，分别为 26% 和 14%。
睡眠降低记忆的牢固性
然后，研究人员回到原始训练课程的 fMRI 记录，并查看了每组在学习图片时使用的大脑部位。尽管两组似乎都在相同的大脑区域显示出与学习相关的活动，但睡眠剥夺的受试者在海马体中显示的活动明显较少；即使 Yoo 只查看个体在学习两天后正确识别的图片时看到的大脑活动，情况也是如此。即使将表现最佳的睡眠剥夺受试者与表现最差的对照组受试者（其表现与最佳睡眠剥夺受试者相当）进行比较，睡眠剥夺受试者仍然显示出较少的海马体激活。相比之下，两组都平等地激活了额叶和顶叶中的注意力网络。
这一有些异端的发现促使研究人员询问，哪里的大脑活动与海马体激活特别相关——他们希望这个问题能揭示哪个区域在记忆形成过程中与海马体协同工作。现在出现了更多差异。与睡眠剥夺的受试者相比，休息良好的受试者在海马体和其他通常与情景记忆处理相关的结构（包括内侧颞叶的其他区域）之间表现出更强的耦合。相比之下，睡眠不足的受试者与脑干和丘脑中的基本警觉网络表现出更紧密的耦合。显然，睡眠不足的受试者要想成功，需要激活海马体以及基本唤醒回路。
这些睡眠不足的受试者需要启动他们的唤醒回路以及他们的海马体，这可能并不令人惊讶。然而，令人惊讶的是，他们似乎是以牺牲其他通常参与新记忆编码的回路为代价来做到这一点的。这可能进一步解释了为什么睡眠不足的受试者表现更差。事实上，当将在后来记住的图片的成功编码期间看到的激活模式与在不成功编码期间看到的激活模式进行比较时，对于休息良好的受试者来说，相同的内侧颞叶结构在成功编码期间出现，但对于睡眠不足的受试者则没有。尽管有足够的注意力和额外的唤醒努力，但其他关键记忆网络仍未达到标准。
这一切都不乐观。随着我们越来越缺乏睡眠，用咖啡因和惺忪睡眼代替所需的睡眠，我们可以预期记住我们熬夜试图学习的东西的能力会随之下降。您不得不怀疑这是否值得。
Robert Stickgold 是哈佛医学院精神病学副教授，也是该学院睡眠医学部的研究员和临床医生，在那里——当他不睡觉时——他偶尔与 Yoo 和 Walker 研究员合作，他们是此处评论的研究的作者。