在睡眠期间，一个大脑区域教导另一个大脑区域，将新数据转化为持久的记忆
睡眠的不同阶段在记忆的形成中起着怎样的作用?宾夕法尼亚大学神经学家安娜·夏皮罗说:“我们早就知道，有用的学习是在睡眠中进行的。”“你在醒着的时候对新的经历进行编码，然后去睡觉，当你醒来的时候，你的记忆已经被转换了。”
然而究竟如何新体验处理期间睡眠一直是个谜。使用神经网络计算模型夏皮罗、宾夕法尼亚大学博士生Dhairyya Singh和普林斯顿大学的Kenneth Norman现在对这一过程有了新的见解。
发表在美国国家科学院院刊表示为大脑在每晚发生五次的慢波和快速眼动(REM)睡眠周期中，海马体将所学到的知识教给新皮层，将新奇、短暂的信息转化为持久的信息内存．
“这不仅仅是大脑局部回路的学习模型。这是一个大脑区域如何在睡眠中教导另一个大脑区域，在睡眠中没有外部世界的指导，”夏皮罗说，他是宾夕法尼亚大学心理学系的助理教授。“这也是一个关于我们如何随着环境的变化而优雅地学习的建议。”
总的来说，夏皮罗研究的是人类的学习和记忆，特别是人们如何获取和巩固新信息。她一直认为睡眠在其中起了一定作用，她和她的团队一直在实验室里进行测试，记录参与者睡觉时大脑的活动。
她的团队还建立了神经网络模型来模拟学习和记忆功能。针对这项研究，夏皮罗和同事们建立了一个神经网络由海马体和新皮层组成的模型，海马体是大脑的新记忆中心，负责学习世界上的日常和情景信息，新皮层负责语言、高级认知和更持久的记忆存储等方面。在模拟睡眠期间，研究人员可以观察和记录这两个区域的哪些模拟神经元激活，然后分析这些活动模式。
该团队使用他们建立的大脑启发学习算法进行了几次睡眠模拟。模拟结果显示慢波睡眠，大脑大部分时间都在回顾最近事件和数据，在海马体的引导下，在快速眼动睡眠期间，它主要是重现发生过的事情以前在新皮层区域的记忆存储指导下。
夏皮罗实验室的二年级博士生辛格说:“当两个大脑区域在非快速眼动睡眠期间连接时，海马体实际上是在对新皮层进行教学。”“然后，在快速眼动阶段，新皮层重新激活，可以回放它已经知道的内容，”巩固了数据在长期记忆中的保存。
他说，两个睡眠阶段之间的交替也很重要。“当新皮层没有机会重放自己的信息时，我们看到那里的信息被覆盖了。我们认为，要形成强大的记忆，你需要进行快速眼动和非快速眼动交替睡眠。”
这些发现与该领域的已知结果一致，尽管该模型的某些方面仍处于理论阶段。夏皮罗说:“我们仍然需要对此进行测试。”“我们接下来的步骤之一将是进行实验，以了解快速眼动睡眠是否真的会唤起旧记忆，以及这对将新信息整合到已有知识中可能有什么影响。”
因为目前的模拟是基于一个获得健康睡眠的典型成年人，它们不一定适用于其他类型的成年人或不太好的睡眠习惯。他们也没有深入了解儿童的情况，因为儿童需要的睡眠时间和类型与成人不同。夏皮罗说，她认为她的模型有很大的潜力来回答这些悬而未决的问题。“有了这样的工具，你可以在很多方面进行研究，特别是因为睡眠结构在整个生命周期中会发生变化，在各种障碍中，我们可以模拟这些变化模型,”她说。
从长远来看，更好地理解睡眠阶段在记忆中的作用，有助于为精神和神经疾病的治疗提供依据，这些疾病的症状是睡眠不足。辛格表示，这也可能对深度学习和人工智能产生影响。他说:“我们受生物学启发的算法可以为人工智能系统中更强大的离线记忆处理提供新的方向。”这个概念验证工作将睡眠和内存阵型使油田离这些目标更近了一步。
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