睡眠的作用是什么？长期以来，科学并无清晰的答案。但近年研究证明睡眠剥夺会降低学习记忆。是什么原理导致睡眠与学习这样息息相关呢？最近，美国科学家在揭示了睡眠与学习的关系的同时，也给未来留下了更多的疑问。
睡眠对人的健康和智力发育都很重要。睡眠可能影响新陈代谢：睡觉时大脑神经元放电减少，有利于机体进行自我修复。睡眠还有助于神经可塑性：睡觉时神经元树突棘形态变化活动性更强，使得神经突触连接强度发生变化的频率更高，有利于形成新的神经环路或者改变既有环路的放电模式。
以往的研究证实，无论是人还是实验动物，睡眠剥夺都会导致学习记忆能力下降。但是，这些研究结果并不能告诉我们，真正导致学习记忆能力下降的，到底是睡眠的新陈代谢功能受到干扰，还是神经可塑性受到影响，才导致实验动物被剥夺睡眠后，学习记忆下降了。
在对实验动物的睡眠进行监测时发现，动物睡觉时大脑皮层和海马区域的部分神经元会自发放电，而且这种放电模式与动物在清醒时学习的放电模式是一致的。有研究者在解释这个现象时表示：通过睡眠时的自发放电，参与学习的神经环路得到增强。
然而，在睡眠状态下自发放电的神经元有很多种，于是问题也就随之而来：是仅有参与学习的神经环路得到增强，还是所有自发放电的神经环路都会发生改变？以往的研究并没有告诉我们答案。
为了回答上述问题，加州大学旧金山分校神经病学学院的研究人员Gulati 等，在大鼠脑内运动皮层装上了微电极芯片，这种芯片可以实时记录皮层神经元的放电情况，并把信号发送到计算机，计算机再将这些信号翻译成可供机械臂读取的指令，然后由机械臂完成动作。在实验中，机械臂将由经过学习的大鼠来控制，并借此考察他们的学习能力。
大鼠能完成这个任务吗？
实验一开始，研究人员就随机将大鼠运动皮层神经元分为两类：第一类为任务相关神经元，也就是说这类神经元的放电直接触发机械臂活动；第二类为非任务相关神经元，这些神经元的放电与机械臂活动无关。经过重复训练，大鼠可以学会在听到提示声音后控制机械臂取水。研究者发现，经过重复训练学会控制机械臂取水的大鼠脑中，第一类神经元的放电频率在提示音开始后显著增加，其直接表现就是大鼠可以更快的完成机械臂取水任务。第二类神经元的放电模式在训练前后没有任何改变。大鼠完成机械臂取水任务的时间随着训练次数的增加在逐渐减少。
在实验过程中，研究者将大鼠分为两组进行对照，第一组的实验动物在训练后的休息期间，睡眠得到保障；而另一组在训练后的休息期间，睡眠受到干扰。对两组大鼠的观测结果显示，睡眠得到保障的大鼠在清醒后，完成任务的时间与睡觉前相比，显著缩短；而睡眠受干扰的大鼠，在休息后任务完成时间没有明显变化。
根据安装在大鼠脑内的微电极所记录到的信息，研究者使用多种方法进行了分析，分析结果显示实验动物任务完成时间的缩短，与其是否进入慢波睡眠（深度睡眠）正相关。实验动物进入慢波睡眠时，第一类神经元的放电时间变得比训练前更同步，而第二类神经元的放电时间没有变化。慢波睡眠并不影响这两类神经元自发放电频率以及幅度。
Gulati等的研究结果告诉我们慢波睡眠可以改变学习时所激活的神经环路放电模式，使这些神经元的放电时间更加同步；而其余神经元的放电模式没有更改。由此可见，动物睡眠对学习能力的影响主要归功于其“神经可塑性”功能。
尽管实验取得了一些积极的结果，解答了关于睡眠与学习的部分疑问，然而依然有一些问题，悬而未决，对此，人们继续发问道：参与学习的神经环路与其他神经环路有什么区别，从而保证只有前者的放电，在慢波睡眠中变得同步？在动物学会任务后，听到提示音时相关神经元放电频率增加，导致这一现象的分子细胞机制是什么？是否可以人为诱导大脑出现与慢波睡眠一样的低频震荡，达到增强学习能力的目的？这些问题只能留给未来的“好奇者”们，去一一解答的了。
欣桦 编译
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