1865年，弗里德里希·奧古斯特·凱庫勒從一個奇怪的夢中醒來：他夢見一條蛇形成一個圓圈，咬住了自己的尾巴。和當時許多有機化學家一樣，凱庫勒一直在拼命研究苯的真實化學結構，這個問題一直困擾著人們的理解。但是，據說凱庫勒夢見一條蛇吞噬自己的尾巴，這幫助他準確地意識到苯的結構形成了一個環。這一洞察為理解有機化學開闢了道路，併為凱庫勒贏得了德國貴族的頭銜。
雖然我們大多數人都沒有被授予爵位，但凱庫勒的問題解決方式卻令人感到熟悉。無論是決定去哪所大學，接受一份具有挑戰性的工作邀請，還是向未來的配偶求婚，“睡個好覺”似乎都能為我們提供理清生活難題所需的清晰思路。但是，睡眠是如何為我們呈現答案的呢？
最新的研究表明，當我們安然入睡時，我們的大腦正忙於處理當天的資訊。它梳理最近形成的記憶，對其進行穩定、複製和歸檔，以便它們在第二天更有用。一夜睡眠可以使記憶更能抵抗來自其他資訊的干擾，並使我們能夠在第二天早上更有效地回憶和使用它們。睡眠不僅能加強記憶，還能讓大腦篩選新形成的記憶，甚至可能識別出哪些值得保留，並有選擇性地維護或增強記憶的這些方面。當一張圖片包含情感和非情感元素時，睡眠可以儲存重要的情感部分，而讓不太相關的背景逐漸消失。它可以分析記憶的集合，以發現它們之間的關係，或識別記憶的要點，同時不必要的細節逐漸消失——甚至可能幫助我們找到我們所學內容的意義。
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不僅僅是休息
如果您覺得這個訊息令人驚訝，您並不孤單。直到20世紀50年代中期，科學家們普遍認為，當我們打盹時，大腦是關閉的。儘管德國心理學家赫爾曼·艾賓浩斯在1885年就有了睡眠可以保護簡單記憶免於衰退的證據，但幾十年來，研究人員將這種效應歸因於對干擾的被動保護。他們認為，我們之所以會忘記事情，是因為所有湧入的新資訊都擠出了現有的記憶。但是，由於在我們閉上眼睛睡覺時沒有任何資訊進來，我們只是沒有忘記那麼多。
然後，在1953年，芝加哥大學已故生理學家尤金·阿塞林斯基和納撒尼爾·克萊特曼發現了睡眠期間大腦活動的豐富變化，科學家們意識到他們遺漏了一些重要的東西。阿塞林斯基和克萊特曼發現，我們的睡眠遵循90分鐘的週期，進出快速眼動（REM）睡眠。在REM睡眠期間，我們的大腦電波——由大規模大腦活動產生的振盪電磁訊號——看起來與我們清醒時產生的電波相似。在隨後的幾十年裡，魁北克拉瓦爾大學已故的米爾恰·斯特里亞德和其他神經科學家發現，在這些REM階段之間，在被稱為慢波睡眠的時期，當大量腦細胞以每秒一到四次的穩定節律同步放電時，個別神經元集合會獨立放電。因此，很明顯，睡眠中的大腦不僅僅是“休息”，無論是在REM睡眠還是在慢波睡眠中。睡眠正在做一些不同的事情。一些積極的事情。
透過睡眠來記住
我們對睡眠和記憶的理解的轉折點出現在1994年的一項開創性研究中。以色列魏茨曼科學研究所的神經生物學家阿維·卡爾尼、多夫·薩吉及其同事表明，當志願者獲得一夜睡眠時，他們在快速區分他們看到的物體的任務中有所進步——但僅當他們獲得了正常量的REM睡眠時。當受試者被剝奪REM睡眠時，這種進步消失了。表現實際上在一夜之間上升的事實否定了被動保護的想法。一定有某些事情發生在睡眠中的大腦中，改變了前一天形成的記憶。但卡爾尼和薩吉將REM睡眠描述為一種允許狀態——一種可能允許變化發生的狀態——而不是一種必要的狀態。他們提出，這種無意識的進步可能發生在白天或晚上。他們認為，重要的是，進步只能發生在夜晚的一部分時間，即REM睡眠期間。
直到我們中的一位（斯蒂克戈爾德）在2000年重新審視這個問題時，才清楚地認識到，睡眠實際上可能是這種進步發生的必要條件。使用相同的快速視覺辨別任務，我們發現，只有在睡眠超過六個小時後，人們在學習課程後24小時內的表現才會提高。REM睡眠不是唯一重要的組成部分：慢波睡眠也同樣至關重要。換句話說，睡眠——在其所有階段——確實可以改善記憶，而清醒狀態則不能。
為了理解這怎麼可能，回顧一些記憶基礎知識會有所幫助。當我們在大腦中“編碼”資訊時，新產生的記憶實際上只是開始一段漫長的旅程，在此期間，它將被穩定、增強和定性地改變，直到它只剩下與原始形式的微弱相似之處。在最初的幾個小時內，記憶可以變得更穩定，更能抵抗來自競爭記憶的干擾。但在更長的時間內，大腦似乎會決定哪些是重要的記憶，哪些是不重要的記憶——詳細的記憶會演變成更像故事的東西。
2006年，我們證明了睡眠穩定記憶的強大能力，並進一步證明了睡眠僅被動（因此是短暫地）保護記憶免受干擾的神話是錯誤的。我們推斷，如果睡眠僅僅為記憶提供短暫的好處，那麼睡眠後的記憶應該再次容易受到干擾。我們首先訓練人們記住A-B模式的單詞對（例如，“毯子-窗戶”），然後讓一些志願者睡覺。稍後，他們都學習了A-C模式的單詞對（“毯子-運動鞋”），這旨在干擾他們對A-B對的記憶。正如預期的那樣，與保持清醒的人相比，睡覺的人可以記住更多的A-B對。當我們引入干擾性A-C對時，那些睡覺的人對A-B組的記憶更強、更穩定就更加明顯了。睡眠改變了記憶，使其變得穩健，並且在接下來的一天中更能抵抗干擾。
但睡眠對記憶的影響不僅限於穩定。僅僅在過去的幾年裡，許多研究已經證明了睡眠期間發生的記憶處理的複雜性。事實上，似乎當我們睡覺時，大腦甚至可能正在剖析我們的記憶，只保留最突出的細節。在一項研究中，我們建立了一系列圖片，其中包括中性背景上的不愉快或中性物體，然後讓人們一個接一個地觀看這些圖片。12小時後，我們測試了他們對物體和背景的記憶。結果非常令人驚訝。無論受試者是保持清醒還是睡覺，他們對所有事物的記憶準確率都下降了10%。也就是說，除了睡了一夜之後對情感性物體的記憶。對情感性物體的記憶不僅沒有惡化，反而似乎在一夜之間提高了幾個百分點，相對於不斷惡化的背景，顯示出大約15%的改善。再過幾個晚上，人們可以想象，剩下的只會是情感性物體。我們知道，隨著時間的推移，現實生活中的事件會發生這種刪減，但現在看來，睡眠可能在情感記憶的這種演變中發揮著至關重要的作用。
大腦究竟是如何加強和增強記憶的，在很大程度上仍然是一個謎，儘管我們可以對基本機制做出一些有根據的猜測。我們知道，記憶是透過改變成百上千甚至數百萬神經元之間連線的強度來建立的，從而使某些活動模式更有可能再次發生。當這些活動模式重新啟用時，就會導致記憶的Recall——無論該記憶是我們把車鑰匙放在哪裡，還是一對詞語，如“毯子-窗戶”。突觸強度的這些變化被認為是由一種稱為長時程增強的分子過程產生的，這種過程加強了同時放電的神經元對之間的連線。因此，一起放電的細胞會連線在一起，將模式鎖定到位以供將來回憶。
在睡眠期間，大腦會重新啟用白天執行的神經活動模式，從而透過長時程增強來加強記憶。1994年，神經科學家馬修·威爾遜和布魯斯·麥克諾頓（當時都在亞利桑那大學）首次使用植入物監測大鼠大腦活動，證明了這種效應。他們教會這些大鼠繞著跑道尋找食物，同時記錄齧齒動物大腦中的神經元放電模式。海馬體——一個對空間記憶至關重要的大腦結構——建立了跑道的地圖，當大鼠穿過跑道的每個區域時，不同的“位置細胞”會放電[參見詹姆斯·J·克尼裡姆的文章“你大腦中的矩陣”；大眾科學，2007年6月/7月]。位置細胞與確切的物理位置非常接近，以至於研究人員只需觀察哪些位置細胞在任何給定時間放電，就可以監測大鼠在跑道上的進展。更令人感興趣的是：當威爾遜和麥克諾頓繼續記錄這些位置細胞在大鼠睡覺時的活動時，他們看到這些細胞繼續以相同的順序放電——就好像大鼠在睡眠中“練習”繞跑道跑步一樣。
當這種無意識的排練加強記憶時，更復雜的事情也在發生——大腦可能正在有選擇地排練任務中更困難的方面。例如，馬修·P·沃克在2005年在哈佛醫學院的工作表明，當受試者學習在鍵盤上鍵入複雜的序列，如4-1-3-2-4（很像學習新的鋼琴樂譜）時，在練習課程之間睡覺會導致更快、更協調的手指移動。但經過更仔細的檢查，他發現人們並沒有簡單地在這個打字任務上全面提高速度。相反，每個受試者都在他或她最不擅長的特定擊鍵序列上變得更快。
大腦至少部分地透過在夜間移動這些序列的記憶來實現這種改進。沃克使用功能性磁共振成像顯示，他的受試者在睡覺後使用了不同的大腦區域來控制他們的打字。第二天，打字引發了右側初級運動皮層、內側前額葉、海馬體和左側小腦中更多的活動——這些區域將支援更快、更精確的按鍵動作——以及頂葉皮層、左側島葉、顳極和額極區域中較少的活動，這些區域的抑制表明有意識和情感努力的減少。整個記憶得到了加強，尤其是那些最需要加強的部分，睡眠正在使用與學習任務時使用的大腦不同部分來完成這項工作。
黑暗中的解決方案
睡眠對記憶的這些影響令人印象深刻。更令人興奮的是，最近的發現表明，睡眠還有助於對新記憶進行積極分析，使大腦能夠解決問題並推斷出新資訊。2007年，我們中的一位（艾倫博根）表明，大腦會在我們睡覺時學習。該研究使用了一項傳遞推理任務；例如，如果比爾比卡羅爾年長，卡羅爾比皮埃爾年長，傳遞律清楚地表明比爾比皮埃爾年長。做出這種推斷需要將這兩個資訊片段拼接在一起。人和動物傾向於在沒有太多有意識思考的情況下做出這些傳遞推理，而這樣做能力是一種非常有用的認知技能：我們在沒有直接學習的情況下發現了新資訊（比爾比皮埃爾年長）。
在比爾和皮埃爾的例子中，這種推斷似乎很明顯，但在實驗中，我們使用了彼此之間沒有直觀關係的抽象彩色形狀，這使得任務更具挑戰性。我們教會人們所謂的“前提對”——例如，他們學會了選擇橙色橢圓形而不是綠松石色橢圓形，綠松石色橢圓形而不是綠色橢圓形，綠色橢圓形而不是佩斯利花紋橢圓形，依此類推。前提對暗示了一個等級結構——如果橙色比綠松石色更好，而綠松石色比綠色更受歡迎，那麼橙色應該勝過綠色。但是，當我們在受試者學習前提對後20分鐘測試他們這些新的配對時，他們尚未發現這些隱藏的關係。他們選擇綠色的頻率與選擇橙色的頻率相同，表現不比機會好。
然而，當我們在12小時後在同一天測試受試者時，他們正確選擇的次數達到了70%。僅僅讓時間過去就使大腦能夠計算和學習這些傳遞推理。在12小時內睡覺的人表現得明顯更好，以90%的準確率連結了最遠的配對（例如橙色與佩斯利花紋）。因此，大腦似乎需要在我們學習資訊後花時間來處理資訊，將點連線起來，可以這樣說——而睡眠提供了最大的好處。
在2004年的一項研究中，烏爾裡希·瓦格納和德國呂貝克大學揚·博恩實驗室的其他人在實驗中優雅地證明了睡眠對記憶的處理能力有多麼強大。他們教會受試者如何使用冗長乏味的程式來解決特定型別的數學問題，並讓他們練習了大約100次。然後，受試者被送走，並被告知在12小時後回來，屆時他們被指示再嘗試200次。
研究人員沒有告訴他們的受試者的是，還有一種更簡單的方法可以解決這些問題。研究人員可以判斷受試者何時以及是否洞察到這種捷徑，因為他們的速度會突然提高。事實上，許多受試者在第二次課程中確實發現了這個技巧。但是，當他們在兩次課程之間獲得一夜的睡眠時，他們發現它的可能性是原來的兩倍半以上——59%的睡眠受試者找到了這個技巧，而兩次課程之間保持清醒的受試者只有23%。不知何故，睡眠中的大腦正在解決這個問題，甚至不知道有一個問題需要解決。
睡眠的必要性
隨著這些令人興奮的發現越來越快地湧現，我們越來越確信一件事：當我們睡覺時，我們的大腦絕不是不活躍的。現在很清楚，睡眠可以透過增強和穩定記憶，以及在研究材料中找到模式（即使我們不知道可能存在模式）來鞏固記憶。同樣明顯的是，減少睡眠會阻礙這些關鍵的認知過程：記憶鞏固的某些方面只有在睡眠超過六個小時後才會發生。錯過一個晚上，當天的記憶可能會受到損害——這在我們快節奏、睡眠不足的社會中是一個令人不安的想法。
但問題仍然存在：為什麼我們的進化方式使得某些認知功能只能在我們睡覺時發生？白天進行這些操作難道不是更有意義嗎？部分答案可能是，睡眠的進化壓力在高等認知之前就已存在——免疫系統調節和高效的能量利用（例如，白天狩獵，晚上休息）只是在晝夜交替的星球上睡眠有意義的眾多原因中的兩個。而且，由於我們已經有了睡眠的進化壓力，理論認為，大腦進化為明智地利用這段時間來處理前一天的資訊：白天獲取；晚上處理。
或者可能是另一種情況。記憶處理似乎是睡眠的唯一功能，它實際上要求生物體真正地睡眠——也就是說，變得意識不到周圍環境並停止處理傳入的感官訊號。這種無意識的認知似乎需要與清醒時處理傳入訊號相同的腦力資源。因此，大腦可能必須關閉外部輸入才能完成這項工作。相比之下，儘管免疫系統調節等其他功能可能更容易在生物體不活動時執行，但似乎沒有任何理由表明生物體需要失去意識。因此，可能是這些其他功能被新增進來以利用已經為記憶而進化的睡眠。
關於我們的夜間認知，無論它是如何進化的，仍然存在許多其他問題。大腦究竟是如何完成這種記憶處理的？是什麼化學或分子活動導致了這些影響？這些問題引發了一個關於記憶的更廣泛的問題：是什麼讓大腦記住某些資訊而忘記其他資訊？我們認為，這裡的教訓是，理解睡眠最終將有助於我們更好地理解記憶。
這項任務可能看起來令人生畏，但這些難題是科學家們蓬勃發展的那種難題——而且它們可以被解答。首先，我們將不得不設計和進行越來越多的實驗，慢慢地梳理出答案。但同樣重要的是，我們將不得不睡個好覺，好好想想。
注：本文最初發表時的標題為“安靜！睡眠中的大腦在工作。”