睡眠中的记忆“导演”？Nature｜睡眠时瞳孔的大小或能揭示记忆被处理的分子机制

在我们的大脑中，最近获得的记忆就像一群新演员，在睡眠时会在海马体这个“舞台”上被重新激活。这是记忆巩固的第一步，意味着大脑正在排练这些新的记忆，以便它们能够长期保存。然而，这里存在一个问题：如何防止新记忆与旧记忆之间发生混乱？如果新记忆和旧记忆同时上演，会不会导致一场“灾难性的遗忘”，即一种记忆的巩固抹去了另一种记忆？

科学家们提出了两种理论来解释这一现象。一种观点认为，通过随机交错重新激活记忆，可以巩固多个记忆，同时最大限度地减少干扰；而另一种观点则认为，睡眠的时间微观结构（即特定的亚状态）可能在促进不同类型记忆的重新激活中起到关键作用。

近日，一篇发表在国际杂志Nature上的研究报告“Sleep microstructure organizes memory replay”，揭示了瞳孔（pupil）在这个过程中扮演的关键角色。来自康乃尔大学等机构的研究人员发现，在非快速眼动睡眠（NREM, Non-Rapid Eye Movement Sleep）的亚阶段中，当瞳孔收缩时，大脑会重播并巩固新的记忆；而当瞳孔放大时，则是较早的记忆被重播和整合的时间。这种微观结构将两个睡眠亚阶段分开，确保了记忆不会互相干扰。

为了研究这一过程，研究人员设计了一项巧妙的实验。他们给一组小鼠教导了多种任务，例如在迷宫中收集水或饼干奖励。随后，这些小鼠被装上了脑电极，并在其眼前悬挂了微型间谍摄像机，以追踪瞳孔的动态变化。一天下来，当小鼠学习了一项新任务并在睡觉时，电极捕捉到其神经活动，而摄像机则记录下瞳孔的变化。

研究人员Oliva博士指出：“非快速眼动睡眠是真正的记忆巩固时刻，这些瞬间非常短暂，甚至只有100毫秒左右，人类几乎无法察觉。”在整个夜晚，大脑是如何分配这些快速而短暂的记忆筛选的呢？又是如何在不干扰已有知识的情况下引入新知识的呢？

实验结果显示，小鼠的睡眠时间结构比以前认为的更加多样化，更类似于人类的睡眠阶段。通过在不同时间点打断小鼠的睡眠，并测试其回忆学习任务的能力，研究人员得以分析这些过程。结果表明，当小鼠进入非快速眼动睡眠的某个亚阶段时，其瞳孔收缩，此时正是最近学习的任务被重新激活和巩固的时候，而旧的知识则保持不动。相反，当瞳孔放大时，旧的记忆会被重播和整合。

这就好像是在一个大型音乐会上，新曲目和经典老歌交替演奏，彼此互不干扰。整个睡眠过程中，新旧记忆缓慢波动，大脑似乎拥有一个中间时间尺度，能够在不影响现有知识的情况下处理新信息。研究者提出，这种机制确保了大脑可以在不受干扰的情况下持续学习，不断更新自己的“记忆库”。

综上所述，这项研究表明，大脑在睡眠过程中通过调节瞳孔大小，实现了对不同类型记忆的精准管理，从而促进了记忆的巩固而不引发混乱。这一发现不仅为开发更好的人类记忆增强技术提供了新思路，也为计算机科学家训练人工神经网络带来了启发。

参考文献：

Chang, H., Tang, W., Wulf, A.M. et al. Sleep microstructure organizes memory replay. Nature (2025). doi：10.1038/s41586-024-08340-w