康奈尔大学研究揭示睡眠期间瞳孔大小信号与记忆形成的关系

一项发表在《自然》杂志上的新研究表明，瞳孔大小对于理解大脑如何及何时形成强大而持久的记忆至关重要。美国康奈尔大学的研究人员将电极连接到小鼠的大脑上，并使用眼动追踪摄像头来研究记忆巩固机制。该研究由助理教授阿扎哈拉·奥利瓦（Azahara Oliva）和安东尼奥·费尔南德斯-鲁伊斯（Antonio Fernandez-Ruiz）领导。

研究人员训练小鼠完成诸如在迷宫中寻找水和食物的任务，并在它们睡觉时跟踪其脑活动和瞳孔大小。当小鼠学习新任务并入睡时，电极捕捉其脑活动，摄像头记录瞳孔变化，使研究人员能够解析这些过程。

在非快速眼动（NREM）睡眠期间，眼睛通常保持静止，但瞳孔会在小直径和大直径之间波动，反映出不同的睡眠亚阶段和深度。记录显示，睡眠中小鼠的时间结构比之前认为的更类似于人类的睡眠阶段。这些波动并非随机；它们精确分布在非深度睡眠的不同阶段。

“非快速眼动睡眠是实际记忆巩固发生的时候，这些时刻非常短暂，人类无法察觉，例如100毫秒。”奥利瓦在接受《独立报》采访时解释道。尽管这些时间段很短，但它们对大脑处理新信息有影响。

当小鼠进入非快速眼动睡眠的一个亚阶段时，其瞳孔收缩，大脑似乎会重播最近学到的任务或新记忆。相反，当瞳孔放大时，大脑似乎会重播较早的记忆并将它们整合到先前的知识中。“我们提出，大脑有一种中间时间尺度，可以区分新学习和旧知识。”奥利瓦在接受《发现》杂志采访时说，“就像新学习、旧知识、新学习、旧知识，这种波动在整个睡眠中缓慢交替。”

通过在不同时间中断小鼠的睡眠并在之后测试它们对已学任务的记忆情况，研究人员更好地理解了这一过程。研究团队在小鼠的瞳孔直径较小时或较大时打断其睡眠，从而确定哪些瞳孔大小与新旧记忆的重复有关。结果表明，在瞳孔直径较小时的非快速眼动睡眠亚阶段，新记忆被重新激活；而在瞳孔直径较大时，较早的记忆被重播。

了解大脑在睡眠期间如何巩固记忆一直是神经科学长期关注的问题。研究人员一直试图理解记忆巩固的机制，包括防止“灾难性遗忘”的过程，即存储新记忆不会抹去旧记忆。这种安排维持了认知平衡，防止遗忘，使大脑能够分离新旧记忆的巩固。

“这种时间组织允许大脑为每种类型的信息分配‘特殊时间’。”《发现》杂志报道。因此，新记忆可以在不干扰已有旧记忆的情况下重新处理，为记忆研究提供了新的可能性，并为未来的人类记忆技术与治疗方法提供指导。

这项研究的影响不仅限于神经科学。研究结果可能帮助计算机科学家训练人工神经网络，使其更加高效，有助于开发更高效的模型，促进人工智能的发展。

“大脑是如何在整晚的时间内分布这些非常快、非常短暂的记忆筛查的？它是如何将新知识与已有旧知识分开，以免相互干扰的？”奥利瓦在接受《幻影新闻》采访时问道。这项研究帮助研究人员理解大脑如何在睡眠中分布这些快速而短暂的记忆筛查。

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