利用神经网络模型，神经科学家发现，当身体在快速眼动睡眠周期和慢波睡眠周期之间移动时，海马体和新皮层的互动方式是形成记忆的关键。睡眠阶段在记忆的形成中起什么作用？宾夕法尼亚大学的神经科学家安娜-夏皮罗说："我们很早就知道有用的学习发生在睡眠期间。你在醒着的时候对新的经验进行编码，你去睡觉，当你醒来时，你的记忆已经以某种方式发生了转变。"
然而，准确地说，新的经验在睡眠中如何被处理仍然是一个谜。夏皮罗、宾夕法尼亚大学的博士生Dhairyya Singh和普林斯顿大学的Kenneth Norman现在从他们建立的一个神经网络计算模型中对这个过程有了新的认识。
在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的研究中，他们表明，当大脑在慢波和快速眼动（REM）睡眠中循环时（大约每晚发生五次），海马体向新皮层传授它所学的知识，将新奇、短暂的信息转变为持久的记忆。
"这不仅仅是大脑中局部电路的学习模型。"宾夕法尼亚州心理学系助理教授夏皮罗说："这是一个大脑区域如何在睡眠期间教导另一个大脑区域，在这个时候没有来自外部世界的指导。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提议。"
安娜-夏皮罗是文理学院心理学系的助理教授。图像来源：宾夕法尼亚大学
广义上，夏皮罗研究人类的学习和记忆，特别是人们如何获得和巩固新信息。她长期以来一直认为睡眠在这里起到了一定的作用，她和她的团队一直在实验室里进行测试，记录参与者睡眠时大脑中发生的情况。
她的团队还建立了神经网络模型来模拟学习和记忆功能。具体到这项工作，夏皮罗和同事们建立了一个神经网络模型，该模型由海马体和新皮层组成，海马体是大脑的新记忆中心，负责学习世界的日常、偶发信息，而新皮层则负责语言、高级认知和更永久的记忆存储等方面。在模拟睡眠过程中，研究人员可以观察并记录这两个区域的模拟神经元在什么时候发射，然后分析这些活动模式。
该团队使用他们建立的大脑启发式学习算法进行了几次睡眠模拟。模拟结果显示，在慢波睡眠期间，大脑大多在海马体的引导下重温最近发生的事件和数据，而在快速眼动睡眠期间，它大多在新皮层区域的记忆存储的引导下重演之前发生的事情。
Dhairyya Singh是文理学院心理学系的二年级博士生。图像来源：宾夕法尼亚大学
"当两个大脑区域在非快速眼动睡眠期间连接起来时，那是海马体实际上在教导新皮质，"夏皮罗实验室的二年级博士生辛格说。"然后，在快速眼动睡眠阶段，新皮层重新激活，可以重放它已经知道的东西，巩固了数据在长期记忆中的地位。"
他说，这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会被覆盖。我们认为你需要有交替的快速眼动期和非快速眼动期睡眠，才能发生强大的记忆形成。"
这些发现与该领域已知的情况一致，尽管该模型的某些方面仍然是理论上的。"我们仍然需要对此进行测试，"Schapiro说。"我们的下一步将是进行实验，以了解快速眼动睡眠是否真的会唤起旧的记忆，以及这对将新的信息整合到你现有的知识中可能有什么影响。"
因为目前的模拟是基于一个典型的成年人得到一晚健康的睡眠，他们不一定能转移到其他类型的成年人或不太理想的睡眠习惯。它们也没有提供对儿童情况的洞察力，因为儿童需要与成人不同的睡眠时长和类型。
夏皮罗说，她看到她的模型在回答这些悬而未决的问题方面有很大的潜力。她说："有了这样一个工具，你就可以向许多方向发展，特别是因为睡眠结构在整个生命周期和各种疾病中都会发生变化，而我们可以在模型中模拟这些变化。"
从长远来看，更好地了解睡眠阶段在记忆中的作用可能有助于为精神和神经疾病的治疗提供信息，因为睡眠不足是一种症状。辛格说，这对深度学习和人工智能也可能有影响。他说："我们受生物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。这项连接睡眠和记忆形成的概念验证工作使该领域向这些目标迈进了一步。"