当我们休息时，我们的大脑运动皮层中重放习得的神经放电序列

Tina编译脑机接口社区 2022-04-26

以前在非人类动物中观察到的唤醒过程背后的神经激发模式的离线“重播”被认为是记忆巩固的一种机制。布朗大学(Brown University)，麻省总医院(Massachusetts General Hospital)等研究小组的人员通过记录两名参与者的运动皮层的尖峰活动来测试人脑的重播，这两名参与者的大脑皮质接口微电极阵列作为脑机接口试点临床试验的一部参与者在玩一个神经控制的序列复制游戏之前和之后都要打个盹，这个游戏包含一个“重复”的序列与不同的“控制”序列稀疏地交织在一起。与学习一致，两个参与者都比控制序列更准确地执行了重复序列。研究人员将在执行每个序列时导致光标移动的触发率模式与两个休息时间段的触发率模式进行比较。与控制序列相比，与重复序列的相关性在任务休息前后增加得更多，这为大脑中与学习相关的回放提供了直接证据。

当我们入睡时，我们的大脑不仅处于离线状态，它们还在忙于组织新的记忆。现在，科学家们已经了解了这个过程。布朗大学(Brown University)，麻省总医院(Massachusetts General Hospital)等研究团队的研究人员在5月5日发表在《Cell Reports》杂志上的报告中指出，在两名受试者的大脑中放置了皮质内微电极阵列，这是脑-机接口试点临床试验的一部分，这是第一个直接证据，表明人类大脑在睡眠时重复清醒的经历。

睡眠期间，大脑重播清醒时经历的神经放电模式，也称为“离线回放”。重放被认为是记忆巩固的基础，在该过程中，最近的记忆在它们的神经表征中获得更持久的记忆。科学家之前已经在动物身上观察到这种现象，科学家Beata Jarosiewicz领导的研究测试了这种现象是否也发生在人脑中。

研究小组让两名参与者在玩序列复制游戏之前和之后打个盹，这个游戏类似于80年代的热门游戏西蒙。这个视频游戏有四个彩色面板，它们按不同的顺序发光，以供玩家重复。但是参与者不移动他们的手臂，而是用他们的大脑来玩这个游戏——想象用他们的手一个接一个地移动光标到不同的目标上，尽可能快地按正确的顺序击中正确的颜色。参与者休息一下，玩游戏，然后再休息时，研究人员通过植入的多电极阵列记录下他们大脑中大量单个神经元的峰值活动。如下图所示。

图1 试验会话设置

(A)任务和时间表。在每个会话中，使用开环和闭环中心-输出任务对解码器进行初始化和校准(见方法细节;校准插图修改自Jarosiewicz等人，2015)。然后，参与者被邀请在一个任务前的休息期间(Rest1)闭上眼睛放松，如果需要的话还可以小睡一会儿。在Rest1之后，参与者执行了4个目标序列游戏，包括66个重复序列(在这个例子中是红-蓝-黄-蓝)，其间点缀着22个控制序列。游戏结束后，参与者被邀请再次闭上眼睛放松(Rest2)。

(B)参与者T9在其家中进行研究。

(C) 游戏中的表现，分为控制序列和重复序列。每行代表一位参与者的一个会话（橙色= T9会话；矢车菊蓝= T10会话）。重复序列的成功率（正确完成序列的百分比）显着高于对照序列（Wilcoxon有符号秩检验，n = 10，p = 0.0039）。

参与者T9、T10进行游戏的实时视频如下：

参与者T9进行序列游戏的实时视频

参与者T10进行序列游戏的实时视频

共同第一作者Jarosiewicz表示:“在很多情况下，一个人的大脑中放置一个多电极阵列，这些电极很小，足以检测到单个神经元的放电活动。”批准用于医学适应症的电极（例如用于治疗帕金森氏病或癫痫的电极）太大，无法追踪单个神经元的尖峰活动。但是，“BrainGate”试点临床试验中使用的电极阵列，是第一次允许在人类大脑中进行如此详细的神经记录。“这就是为什么这项研究是前所未有的，”她说。

BrainGate是由布朗大学，麻省总医院，凯斯西储大学和斯坦福大学等多所大学组成的学术研究联盟。BrainGate的研究人员正在努力开发长期植入的脑机接口，以通过使用大脑信号来移动电脑光标、机械臂和其他辅助设备，帮助有严重运动障碍的人重新获得交流和控制。

在这项研究中，研究小组在游戏期间和赛后休息期间都观察到了相同的神经元放电模式。换句话说，就好像参与者入睡后继续玩西蒙游戏一样，在神经元水平上重现他们大脑中的相同模式。这些发现提供了人类大脑中与学习相关的重放的直接证据。

图2 在运动皮层中重复发射速率模式

(A) RIs分布的示例。每个分布中的一个值是一次试验的RI(当使用该试验作为模板时，从Rest1到Rest2的平均峰值CC值的变化百分比)。以重复序列试验为模板得到红色分布，以对照试验得到蓝色分布。神经信号的非平稳性会导致CC值的伪漂移;因此，重放被测量为重复试验和对照组试验的RIs之间的差异。在两个示例会话中(每个参与者一个)，重复序列试验(红色表示的平均值±SEM) 显示比对照序列试验显着更高的RI(蓝色部分;双样本单侧t检验)。

(B)扩张因子使用第95个百分位数的CC阈值)在每个时段的平均RI(重复对照)的差异。使用T9的会话用橙色显示，使用T10的会话用矢车菊蓝色显示。会话间的平均值用粗黑线表示。星号表示时间扩张因子，在此期间重复试验的平均RIs显著高于对照试验的平均RIs.

(C和D)测试得到的t分值(C)和对应的p值(D)，对于每一次扩张因子和centile threshold，重复试验平均RIs在各会话中是否高于对照试验平均RIs

图3 回放不同会话的结果，休息时间细分为假定的NREM1和假定的清醒状态

(A-C)与图2B-2D相符，显示推定NREM1的结果。

(D-F)与图2B-2D相符，显示假定清醒的结果。

Jarosiewicz说:"这是第一个直接证据，表明在人类学习后休息时的回放可能有助于巩固这些记忆。""几十年来，我们在动物身上研究的所有与回放相关的记忆巩固机制实际上可能也适用于人类。"

尽管COVID-19健康风险主要集中在退休年龄家庭，但该小组发现，相当一部分工作年龄家庭也面临这些风险。

这一发现也为那些想要了解重放记忆巩固的潜在机制的人们提出了更多的问题和未来的研究课题。下一步就是要找到重放在记忆巩固过程中确实起因果作用的证据。一种方法是测试回放的强度和小睡后回忆的强度之间是否存在联系。

尽管科学家们尚未完全了解学习和记忆整合的工作原理，但一系列动物和人类研究表明，睡眠起着至关重要的作用。Jarosiewicz说，“在考试之前和重要面试之前”睡个好觉对良好的认知表现是有益的。“我们有充分的科学证据表明，睡眠在这些过程中非常重要。”

论文信息：

Replay of Learned Neural Firing Sequences during Rest in Human Motor Cortex

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