索尼婭深夜獨自一人身處一個陌生的城鎮，試圖找到回家的路。地圖顯示了一條穿過黑暗森林的路線，森林中偶爾有燈籠照明。她帶著不祥的預感看著地圖，但看到也有其他人走這條路，便也選擇了它。她快步走著，靠近了前方一對夫婦——一男一女——他們突然停下腳步，轉過身抓住她。那個男人用一塊布捂住了她的臉。她發現自己身處一個舞臺上，天花板上鑲嵌著一面鏡子。一群手持槍支和刀具的男人包圍了她；她即將遭受酷刑並被殺害。索尼婭撿起一塊石頭扔向天花板，天花板被打碎了。玻璃碎片像雨點般落下，刺穿了她的肩膀和腳。她逃進了森林，那對夫婦在後面追趕，他們可以讀懂彼此的心思。那個女人看到了索尼婭逃跑的方向，並告訴了那個男人——索尼婭知道自己會被追捕到。
這個噩夢和類似的噩夢在幾個月裡每週困擾索尼婭大約兩次。（她的真名已被隱去以保護隱私。）那些可怕的夜晚讓她昏昏欲睡、易怒和情緒耗竭——這是噩夢障礙的症狀。這種情況可能單獨發生，也可能與更深層次的問題同時發生，例如創傷後應激障礙或焦慮症。日內瓦大學醫院的睡眠專家開出了“意象排練”療法。索尼婭要為一個糟糕的夢境創造一個積極的結局，並每天練習。對夢境的新理解往往會延續到睡眠中，從而減少噩夢的頻率。
但這種技巧並不總是奏效，因此索尼婭加入了一項研究，以測試其改良版本。該試驗利用睡眠的力量來鞏固記憶——在這種情況下，是新的夢境敘事。在兩週內，每天晚上花五分鐘，索尼婭在家中一個安靜的空間放鬆身心，想象穿過森林的路線通向一扇門，門開啟後是一個明亮、色彩繽紛且感到安全的田野。當她和其他 17 位患有噩夢障礙的人排練他們的新故事情節時，他們透過耳機聽到一個鋼琴和絃，該和絃每 10 秒播放一次，最終將聲音與敘事聯絡起來。
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在那兩週裡，他們在睡覺時都佩戴著一個睡眠工程頭帶。該裝置可以檢測到參與者何時進入快速眼動 (REM) 睡眠（之所以這樣命名是因為在這個階段眼睛會左右快速移動），此時人們會做最生動的夢。當他們做夢時，頭帶透過他們的顱骨傳遞出他們在清醒時聽到的相同的鋼琴和絃。
在睡眠期間，大腦會重播當天選擇性的記憶，以將其銘刻到神經元中。專家稱此過程為記憶鞏固。在噩夢研究中，和絃提醒參與者他們更快樂的夢境。“我們想要增強這種特定的記憶，”日內瓦大學的精神病學家蘭普羅斯·佩羅加夫羅斯（Lampros Perogamvros）說，他領導了這項研究。
這種聯想使人們體驗到更少的噩夢和更多的積極夢境。“即使你只在清醒時處理一種情景，任何主題的噩夢[例如被追逐]都會減少，”佩羅加夫羅斯說。研究人員在 2022 年報告稱，對於那些在排練修改後的夢境時聽到和絃的人來說，效果明顯強於那些沒有聽到和絃的人。索尼婭就是其中之一，她完全停止做噩夢，心情也得到了改善。
操縱睡眠可能是走出諺語中森林的新途徑——無論困擾是噩夢還是情緒、記憶甚至運動技能方面的問題。“睡眠是一個不設防的時間。這是一個我們的執行控制、理性思維、邏輯決策、衝動控制都被關閉的時間。因此，設法進入的刺激會以不同的方式處理，並且可能更有效，”哈佛醫學院的認知神經科學家羅伯特·斯蒂克戈爾德（Robert Stickgold）說。
研究人員在人們睡眠時用來“進入”的技術範圍很廣，從電刺激患者的大腦到讓他們接觸讓他們想起特定事實或經歷的聲音或氣味。這些技術中的許多都是為了解碼睡眠在記憶和認知中的作用而設計的。但它們也為加速中風後的康復或恢復隨著年齡增長而喪失的記憶提供了方法。它們甚至可能能夠抑制與特定記憶相關的負面情緒，這可能有助於緩解創傷後應激、焦慮、抑鬱或其他精神健康狀況。
“我最近的希望之一是我們可以有新的方法來幫助人們以愉快的心情醒來，”西北大學的記憶和睡眠研究員肯·帕勒（Ken Paller）說。為了使這些方法實用且普及，研究人員正在開發一系列人們可以在家使用的睡眠工程裝置。專家表示，某些裝置的臨床應用還需要數年時間，他們還警告了潛在的風險。
加州大學洛杉磯分校的神經科學家吉娜·坡（Gina Poe）說，擾亂記憶可能會產生不可預見的後果，例如造成阻礙學習的失衡。“現在有點可怕，”坡說。“我們瞭解得不夠。這有點像[當]幼兒。我們可以走路，但不知道我們要去哪裡或如何避開危險。”
學者們數千年來一直懷疑睡眠可以鞏固記憶。公元一世紀，羅馬作家和教師馬庫斯·法比烏斯·昆提利安寫道，“一個晚上的間隔將大大增強記憶力。”直到 20 世紀，這個過程的細節仍然晦澀難懂，當時腦電圖儀的發明，這是一種透過放置在頭皮上的一系列探針記錄大腦活動的儀器，催生了研究，表明睡眠中的大腦以自己的電節律嗡嗡作響。
人們的睡眠週期大約每 90 分鐘重複一次，通常在整夜睡眠中經歷總共四到六個週期。第一個週期從輕度睡眠期開始，輕度睡眠期有兩個不同的階段。在第二階段，神經元產生稱為睡眠紡錘體的電訊號簇——顯然是因為當繪製成電壓隨時間變化的圖表時，它們讓科學家想起了纏繞在棍子上的羊毛。輕度睡眠下降到深度“慢波”睡眠，其中紡錘體繼續存在，而緩慢、有節奏的電興奮脈衝掃過大腦，覆蓋著高頻“波紋”爆發。在 REM 睡眠（第四階段）中，大腦神經元的放電活躍度和隨機性與白天一樣，人們會體驗到情緒激動且離奇的夢境。
研究人員推測，這種睡眠時的大腦活動可能有助於記憶。在 1970 年代，當時在劍橋大學三一學院的計算神經科學家大衛·馬爾（David Marr）提出了一個理論，解釋大腦如何將新資訊與現有知識整合。在這個模型中，海馬體（一個位於大腦兩個半球的海馬狀結構）在白天儲存資訊。但是記憶痕跡仍然很脆弱，直到睡眠時，它們才會被加強並傳遞到大腦的皮層或外層，以進行長期儲存並與其他記憶整合。
在 1994 年的一項里程碑式研究中，研究人員進行了大腦記錄，顯示海馬體在慢波睡眠期間透過追溯記憶來鞏固記憶。當一隻老鼠在清醒時穿過迷宮時，其海馬體神經元中的活動模式指定了老鼠在其跋涉中的位置。當老鼠睡覺時，研究人員再次記錄了它的大腦活動，並發現了相同的神經模式——好像大腦在排練穿過迷宮的路徑以將其記憶下來。十年後，科學家獲得了人類重播的證據，方法是使用正電子發射斷層掃描，該技術檢測血流作為神經元活動的代表。當人們在虛擬城鎮中學習路線時變得活躍的大腦區域在深度睡眠期間被重新啟用——並且活動量與一個人記住路線的能力相關。
正如馬爾所預測的那樣，海馬體中記憶的重播是鞏固的關鍵。它似乎標記了某些記憶以進行安全保管，讓日常生活的其餘部分被拋在腦後。“你去雜貨店購物，他們賣完了小番茄......你不想把那個記憶保留一生，”斯蒂克戈爾德說。“所以幾乎所有東西都會被遺忘。睡眠的作用是弄清楚你不想忘記什麼。”
到 2000 年代初期，科學家們知道，大多數深度睡眠的高壓波都起源於大腦的決策中心——前額葉皮層，並且像平靜海面上的波浪一樣平穩而有規律地從大腦前部移動到後部。對動物和癲癇患者（特別是那些大腦中植入了電極以檢測癲癇發作的個體）的研究表明，其他睡眠節律也與記憶過程有關。這些包括來自海馬體的電活動波紋，可能反映了重播——並且與源自丘腦的睡眠紡錘體的波谷重合。當一個人清醒時，這個中繼站會將來自感官的選定資訊傳送到大腦皮層進行解釋，但是當某人睡著時，它會關閉大多數訊號，因此該人通常不會意識到周圍的環境。有趣的是，坡認為，每分鐘的睡眠紡錘體數量與一個人的學習能力相關。
更進一步，一個驚人的巧合——或者更可能根本不是巧合，而是進化完善的夜間資訊轉移過程不可或缺的東西——波紋和紡錘體都隨著慢波的升降而升降。“這是一個三部分交響曲，”斯蒂克戈爾德說。“海馬體、丘腦和皮層齊心協力，加強特定的記憶。”
儘管如此，睡眠中的大腦分析和整合記憶的證據仍然是間接的，直到實驗人員找到影響該過程的方法。“我們可以操縱波浪嗎？”蒂賓根大學的行為神經科學家揚·博恩（Jan Born），當時在呂貝克大學，想知道。他和他在呂貝克大學的團隊透過睡眠受試者的頭皮施加振盪電流，以增加慢波的幅度。他們在 2006 年發表的一篇文章中報告說，這種操作增強了記憶力。但是，電場似乎在大腦的解剖褶皺中不可預測地變化。因此，該團隊轉向聲音，博恩認為，透過生物通道：耳朵，聲音的處理會更可靠。
研究人員向睡眠者播放了柔和的咔噠聲，時間與他們的慢波的上升階段同步。在單個晚上給予刺激後，大大增強了慢波和紡錘體的大小和持續時間。關鍵的是，與單獨睡眠後的表現相比，干預措施改善了參與者對 120 對單詞的記憶，該團隊在 2013 年報告說。這項工作直接將慢波睡眠的振盪與記憶聯絡起來——並指出了一種利用慢波睡眠來改善記憶的方法。
“這是一個睡眠工程的想法：我們可以讓生理學更有效地執行嗎？或者，如果它執行得不太好，我們可以調整它，使其執行得更好嗎？”帕勒問道。慢波會隨著年齡的增長而減弱，這可能解釋了與年齡相關的記憶問題。補充慢波可以減輕記憶力下降嗎？西北大學的神經學家羅尼爾·馬爾卡尼（Roneil Malkani）和菲利斯·齊（Phyllis Zee）與帕勒等人合作，成功地使用聲音來增強回憶輕度認知障礙患者中九分之五的人的單詞對的能力。
然而，這些干預措施只持續了一個晚上。在實踐中，阻止記憶力下降最有可能需要更長期的治療。理論上，透過手術植入的電極在睡眠期間刺激大腦可以持續鞏固記憶。加州大學洛杉磯分校健康中心的神經外科醫生伊扎克·弗裡德（Itzhak Fried）和他的同事最近表明，他們可以使用這種深部腦刺激來增強記憶。弗裡德植入電極是為了檢測嚴重癲癇患者的癲癇發作。但是，當這些患者處於睡眠狀態且沒有癲癇發作時，他使用電極來感知和改變他們的深度睡眠振盪。
當慢波處於上升階段時，其中一個電極發出一個電脈衝，以增強“波紋、紡錘體和慢波的三重巧合”，弗裡德說。所有六位在前額葉皮層接受這種刺激的個體，在電極啟用的夜晚之後，與未受干擾的睡眠後的記憶相比，顯示出對圖片對的更好回憶，科學家在 2023 年報告說。記憶力改善的程度與大腦電模式的轉變相關。
“我們正在改變睡眠的結構，”弗裡德說。“我們的目標是真正嘗試看看我們是否可以擁有記憶輔助工具或記憶神經修復裝置”——類似於聽力受損人士的耳蝸植入物。
致謝：Ni-ka Ford（大腦）和 Jen Christiansen
除了透過增強睡眠大腦中的電波來改善一般記憶力外，科學家們還發現了各種增強特定記憶力但不增強其他記憶力的方法。這種策略的首次嘗試涉及氣味。博恩的團隊要求人們聞玫瑰香味，同時學習網格中物體的位置。然後，他們在睡眠期間讓一些參與者接觸這種香味。研究人員在 2007 年報告說，當在慢波睡眠期間傳遞香味時，香味會刺激睡眠者的大腦重新審視他們學到的東西，並顯著提高他們對位置的回憶（與那些在睡眠期間未接觸氣味或僅在 REM 睡眠期間接觸氣味的人相比）。腦部成像顯示，氣味強烈激活了海馬體，進一步表明刺激增強了重播。
兩年後，帕勒和他的同事表明，他們可以使用聲音做類似的事情。研究人員在人們記住計算機螢幕上 50 個物體的位置時播放了獨特的聲音。例如，當看到貓的圖片時，參與者會聽到貓叫聲；當看到水壺時，他們會聽到哨聲。然後，科學家在午睡期間播放了 25 種聲音，之後人們記住與這些聲音相關的物體的位置比記住其他物體的位置更好——如果他們聽到哨聲而不是貓叫聲，那麼他們在回憶水壺在螢幕上的位置時會比貓更準確。
帕勒的方法，他稱之為目標記憶再啟用或 TMR，作為一種增強特定記憶的方法而受到關注。2022 年，他當時的研究生內森·惠特莫爾（Nathan Whitmore）表明，TMR 可以改善對人臉和姓名的記憶，在那些擁有最長和最不間斷的慢波睡眠的人中效果最強。帕勒說，這種方法可能有助於老年人記住對他們重要的事實，例如他們孫子的名字。
TMR 還可以改善程式性記憶，這是從演奏鋼琴曲到完善跳投等技能的基礎。人們在睡眠後執行學到的手指運動序列的速度更快。如果在慢波睡眠期間重新啟用對該序列的記憶——例如，透過播放人們在學習每個手指運動時聽到的音調——效能會進一步提高。
類似的方法可以加速中風患者的康復，中風使人們無法進行基本運動。康復包括每天練習這些技能。“如果你想使用牙刷或拿起鹽，你必須有選擇地控制一些肌肉，而不是其他肌肉，”帕勒說。為了教授這類技能，西北大學的神經學家馬克·斯盧茨基（Mark Slutsky）開發了一個簡單的 1980 年代風格的影片遊戲，使用者必須啟用一兩個肌肉，將游標從螢幕中心移動到周邊的八個目標之一——紅色方塊，當游標到達時會變成綠色。
在 2021 年的一項研究中，帕勒、斯盧茨基和他們的同事表明，TMR 可以提高人們在這個遊戲中的表現。在瞄準每個目標時，20 名健康的年輕人聽到了一種獨特的聲音，例如貓叫聲、鼓聲或鈴聲。練習幾個小時後，他們進行了 90 分鐘的午睡。當他們進入慢波睡眠時，他們以五秒的間隔聽到了一些聲音。醒來後，他們在導航到與午睡期間播放的聲音相關的紅色方塊目標時，在速度、效率和肌肉選擇方面表現出更高的效能。帕勒、斯盧茨基和他們的同事正在手臂移動困難的中風患者中測試類似的程式。
TMR 的前沿版本將聲音提示與慢波同步。“我們何時應用這些觸發器至關重要，”威爾士卡迪夫大學的神經科學家佩內洛普·劉易斯（Penelope Lewis）說。她和她的同事發現，該技術可以提高對物體之間關係的學習——在這種情況下，是一組六張照片中的隱藏排名——但前提是表示該關係的聲音在慢波的峰值而不是波谷期間播放。在一個相關的發現中，牛津大學的認知神經科學家伯恩哈德·斯塔雷西納（Bernhard Staresina）和現在在英國埃塞克斯大學的洪-越·V·吳（Hong-Viet V. Ngo）報告說，當他們將特定聲音提示與慢波的上升同步時，動詞-圖片關聯的記憶力得到改善。此外，在這種階段的提示延長了波浪並增加了相關紡錘體的力量。
干預慢波睡眠還可以改變與特定記憶相關的情緒——這可能有助於精神健康。香港大學的認知神經科學家胡曉青和他的同事使用 TMR 透過建立與樂觀詞語的關聯，為厭惡記憶賦予積極意義。他們教人們將無意義的詞語與令人不安的照片聯絡起來，然後在慢波睡眠期間，將無意義的提示與積極的詞語一起重播。研究人員在 2023 年報告說，之後，人們對提示照片的反感程度低於之前。同樣，當積極的詞語與慢波振盪的上升階段一致時，效果最強。
慢波睡眠在記憶鞏固中的作用現已得到充分證實，但 REM 睡眠的功能尚不清楚。這個階段的夢境通常看起來不合邏輯，因為大腦前額葉皮層的部分（控制理性思維）處於離線狀態，而控制視覺、運動和情感的大腦區域仍然活躍。然而，一種新興的理論是，REM 睡眠期間做的奇幻夢境可以馴服與記憶相關的情緒，並幫助人們更廣泛地理解發生在他們身上的事情。
神經科學家馬修·沃克（Matthew Walker）在《我們為什麼要睡覺：解鎖睡眠和夢境的力量》（Scribner，2017 年）中寫道：“REM 睡眠做夢提供了一種夜間療法。”“[它]消除了困難甚至創傷性情緒事件帶來的痛苦刺痛。”在 REM 睡眠期間，去甲腎上腺素（一種驅動恐懼反應的神經遞質，例如出汗、心跳加快和瞳孔放大）的水平會降低。沃克和其他人說，因此，在 REM 睡眠期間浮出水面的記憶會與這些反應脫鉤，從而將它們從情感負擔中分離出來。（然而，在患有創傷後應激障礙的患者中，去甲腎上腺素水平仍然很高，噩夢會復發。）
如果該理論是正確的，那麼誘導人們在 REM 睡眠期間重溫困難的經歷可能有助於化解與這些經歷相關的令人不安的情緒。在 2021 年的一項研究中，人們在將圖片與特定聲音聯絡起來並在 REM 睡眠期間接觸這些聲音後，認為令人不安的圖片不太令人困擾。相比之下，當聲音在慢波睡眠期間播放時，沒有效果。劉易斯認為，如果類似的事情對人們的現實生活記憶有效，那麼這可能是治療抑鬱症或 PTSD 的途徑。
REM 睡眠夢境也可能透過潛意識學習來幫助化解與事件相關的強烈情緒。人們通常不會夢到令人不安的事件本身，而是夢到更良性、相關的記憶，從而讓他們潛意識地將兩種體驗聯絡起來。斯蒂克戈爾德舉了一個例子：如果他在白天發生了一起差點發生車禍的事件後感到心煩意亂，他可能會夢到和兒子一起玩碰碰車。這個夢境會幫助斯蒂克戈爾德意識到，如果車禍真的發生了，“可能只是我的擋泥板被撞壞了。[但是]我的反應好像我剛剛死裡逃生，”斯蒂克戈爾德推測。“這對我來說可能變得清晰，因為我有這個與碰碰車相關的記憶，在那裡什麼壞事都不會發生。”
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透過這種方式，REM 睡眠夢境可以提供視角。“你必須讓大腦構建這個夢境敘事，以評估對它的情緒反應，”斯蒂克戈爾德說。TMR 可以用來塑造這種敘事，而日內瓦的噩夢障礙研究突出了這種干預措施的可能性。它還可以使傳統的心理治療形式更有效。“任何心理治療方法都旨在改變行為、習慣、思想。因此，心理治療是一種學習形式，”噩夢障礙研究的第一作者、日內瓦大學的神經科學家索菲·施瓦茨（Sophie Schwartz）說。“使用 TMR，我們可以促進這種學習。”
大多數睡眠工程研究都需要患者或志願者進入實驗室或其他機構環境，這限制了干預的範圍和有效性。人們不想在實驗室裡睡超過一兩個晚上。但是，“如果這項技術是可穿戴和便攜的，它很可能可以嵌入到某人的生活中，”牛津大學的認知神經科學家海蒂·約翰森-伯格（Heidi Johansen-Berg）說。“因此，即使任何一天的益處都很小，你也可以想象這些累積的益處會隨著時間的推移而顯著增加。”
可以在家使用的商業裝置很可能成為在睡眠期間增強治癒能力的重要途徑。目前正在測試一種此類發明，以評估其提高語言記憶力和加速中風康復的能力，它包括一塊收集運動和心率資料的智慧手錶，以及一部播放聲音的智慧手機。機器學習模型識別深度睡眠期並在這些時期內觸發 TMR 聲音。在 2022 年發表的研究中，惠特莫爾和其他人發現，在家中使用這項技術三個晚上提高了人們對物體位置的記憶——只要聲音播放得足夠柔和，不會打擾睡眠者。
對於使人衰弱的噩夢，醫生已經可以開出一個手機應用程式，該應用程式使用人工智慧來分析來自 Apple Watch 感測器的生物特徵資料。當感測器檢測到與噩夢相關的脈搏加快和躁動不安時，手錶會發出間歇性的輕柔振動，以中斷夢境而不會喚醒睡眠者。2023 年發表的來自65 名患有創傷引起的噩夢的退伍軍人的試驗資料表明，該裝置在佩戴至少一半時間的情況下，顯著提高了睡眠質量，正如退伍軍人報告的那樣。
亞當·哈爾·霍洛維茨（Adam Haar Horowitz），當時在麻省理工學院，和他的同事開發的一種手套狀睡眠檢測器也可能減少噩夢。該裝置透過手腕和手上的觸點監測睡眠開始的生物學跡象。它還連線到一個應用程式，該應用程式提供語音提示，例如“樹”，在最近的一項研究中，該提示使午睡者夢到樹木並增強了他們在與樹木相關的任務中的創造力。
儘管睡眠工程前景廣闊，但專家警告說，篡改記憶存在內在風險。“你正在偏向於大腦中優先強化的記憶，”劉易斯說。“如果你開始每天晚上都這樣做，誰知道可能會造成什麼樣的失衡？”這些干預措施也可能會擾亂睡眠。例如，在惠特莫爾和帕勒的另一項實驗中，當聲音播放得太大聲時，記憶力實際上會惡化。“在我們可以向普通人群推薦它之前，還有很多東西需要理解，”劉易斯說。
與此同時，這些實驗加深了科學家對睡眠在記憶和情感中的作用的理解——以及睡眠如何塑造人們對世界和自身的看法。“這就是夜晚的目的，”斯蒂克戈爾德說。“它是為了獲取白天產生的所有資訊，並將它們與我們已經擁有的所有資訊整合起來，以幫助你構建關於世界如何運作以及你的生活意味著什麼的故事。”
至少對於索尼婭來說，目標記憶再啟用已經結束了她在森林中的夜間圍困。相反，一天晚上她夢到被邀請參加在小木屋舉行的聚會。“有一個可以欣賞山景的露臺，”她在夢境日記中寫道。“我們都出去看日落。天空是深粉色的，天氣非常美麗。突然，我感覺到腰間有一隻手……這個人牽起我的手，帶我到露臺中央，我們開始在沒有音樂的情況下跳舞。就像電影裡一樣，周圍的世界開始快速旋轉，我一生中第一次感到小鹿亂撞。”