自古以来，人们就对梦境充满了好奇和遐想。俗话说“日有所思夜有所梦”，这似乎暗示着我们的梦境与日常生活中的经历有着千丝万缕的联系。
然而，梦境是否真的具有预言未来的能力呢？这个问题一直困扰着无数人。最近，随着神经科学的发展，科学家们开始揭开梦境背后的神秘面纱。
2024年5月8日，美国密歇根大学Kamran Diba小组在《自然》杂志上发表了题为：Retuning of hippocampal representations during sleep的研究文章，为我们揭示了梦境背后的科学机制。这项研究不仅解答了关于梦境的一些基本问题，还展示了睡眠在记忆巩固和空间信息处理中的重要作用。
为了方便大家理解研究的内容，这里有一些概念需要先简要地提一下~
记忆的复杂性与海马体的作用
记忆是大脑最基本的功能之一，它不仅关乎信息的存储、处理与回忆，还涉及复杂的神经网络和生化机制。作为认知科学研究的核心领域之一，记忆对于个体如何学习新知、适应环境变化以及理解周围世界具有至关重要的作用。随着脑成像技术、基因编辑等先进神经科学技术的发展，人类对记忆形成的理解正以前所未有的速度不断深化。
在大脑中，海马体扮演着极其关键的角色，它是记忆形成及长期保存的主要场所，同时也参与空间导航和情绪调控等活动。通过将短期记忆转化为长期记忆，并在后续的信息检索过程中发挥重要作用，海马体成为了连接我们过去经历与当前行为之间的桥梁。可以说，没有海马体，我们就难以有效地利用过往经验来指导未来行动。
长期以来，科学家们认为记忆是由特定经历触发的一系列神经元活动模式构成的，这些模式与个人的经历紧密相关。传统上，人们假设海马区内的某些神经细胞总是对应着特定的空间位置，从而能够编码出一个“心理地图”。然而，当面对动物未曾接触过的迷宫时，这种基于已知经验的传统解码方法就遇到了局限性——因为在初次探索之前，那些本应代表特定地点的神经元尚未建立起相应的空间定位功能。这表明，我们的记忆系统远比想象中更加灵活多变，能够根据新的情境快速调整自身以适应未知环境。
为了更直观地理解传统解码方法所面临的挑战，我们可以用一个生活中的例子来说明。想象你拥有一份地图，上面标记了前往朋友家的最佳路线。这份地图好比是海马体中的一组神经元集合，它们帮助你记住如何到达目的地。通常情况下，如果你总是按照同一条路径前往朋友家，那么这份“地图”就能很好地指导你找到正确的方向。然而，在实际生活中情况往往更加复杂多变，例如选择路线变化、环境变动、由于疲劳、分心等因素导致的记忆波动等等。
传统解码方法的主要问题在于，它假设海马区内的特定神经元集合会始终如一地代表固定的空间位置，类似于一张永远指向同一地点的地图。但事实上，这些神经元集合是非常灵活且动态变化的，它们的位置场会随着时间和外界条件的变化而发生变化。因此，当面临全新的情境或经历时，传统方法可能无法有效应对，因为它没有充分考虑到神经元活动模式随不同体验及环境因素而发生的变化。
简而言之，传统解码方法基于一种静态和固定的视角来看待记忆，而实际上记忆系统具有高度的灵活性与可塑性。这就像是试图用一张过时的地图来导航未知领域一样，显然存在很大的局限性。
实验对象及流程
在这项研究中，研究人员使用了自由移动的大鼠作为实验对象。他们设计了一系列实验，旨在探究大鼠在睡眠期间海马体神经元的空间调谐（spatial tunings）以及它们与迷宫中位置场（place fields）的对应关系。
研究者开发了一种新的贝叶斯学习方法，用于动态跟踪离线状态下单个神经元的空间调谐。这种方法基于尖峰触发的平均解码位置（Spike-Triggered Average Decoded Position），这是一种确定神经元对特定位置偏好的技术，通过计算所有其他神经元的同时放电模式来确定位置。
图一：离线状态下海马空间调整的贝叶斯学习
梦里究竟发生了什么？
研究者们详细分析了海马体在尖波波纹期间的空间表示。这些尖波波纹是一种在睡眠期间出现的高频电活动，持续数小时，并且与小鼠在迷宫探索时最初观察到的位置场高度一致。
进一步的数据分析揭示了一个有趣的现象：当大鼠完成迷宫探索并进入睡眠状态后，它们大脑中的海马体区域神经元会经历一种特殊的调整过程，这个过程被称为“重新调谐”。在这个过程中，神经元的空间表征（即神经元对特定位置的反应）在睡眠中的尖波波纹期间变得更加稳定，并且与它们在迷宫中探索时的位置场有很好的对应关系。
用更通俗的话来说，这意味着当大鼠在迷宫中跑动时，它们的大脑会记录下不同位置的信息。然而，当它们进入睡眠后，大脑并不是简单地“重放”这些记忆，而是在睡眠中对这些记忆进行整理和调整。这种调整使得神经元对特定位置的反应更加稳固，并且能够预测大鼠在未来再次探索迷宫时的位置场，即使这些位置场与之前有所不同。
图二：后峰值波动（POST ripple）预测再次暴露于迷宫时的未来位置场
这意味着，睡眠对于记忆的巩固和调整起着至关重要的作用。它不仅仅是记忆的“回放”，而是一个动态的、积极的过程，在这个过程中，大脑对新形成的记忆进行整理和优化，使其更加稳定，并为未来可能的情境做好准备。
小结
综上，本研究加深了我们对睡眠期间记忆重放及更新机制的理解，同时也为探索睡眠如何影响认知功能开辟了新的方向。尽管梦境未必能准确预知未来，但它们确实反映了大脑如何努力整理过去的经验，以更好地应对未来的挑战。
总之，这项研究为我们提供了一个全新的视角，展示了睡眠在记忆巩固和空间信息处理中的重要角色。它不仅解答了关于梦境的一些基本问题，还强调了睡眠在认知功能中的关键作用。通过深入理解这一过程，我们或许能够更好地利用睡眠来优化记忆和学习，甚至在未来的某一天，通过干预睡眠来改善认知功能。
参考文献：
Maboudi, Kourosh et al. “Retuning of hippocampal representations during sleep.” Nature vol. 629,8012 (2024): 630-638. doi:10.1038/s41586-024-07397-x
