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哈佛醫學院
我們大多數人至少能回憶起一次在課堂上，半睡半醒，試圖集中注意力學習所教內容，但卻“毫無用處”的經歷。這是為什麼呢？當您嘗試學習但因“太困”而失敗時，到底出了什麼問題？嗯，我不瞭解您，但對於一組 28 名 18-30 歲的年輕人來說，答案現在似乎更清楚了。在今年二月發表在《自然神經科學》（Nature Neuroscience）上的研究（“睡眠剝奪會損害人類形成新記憶的能力”）中，Seung-Schik Yoo、Matthew Walker 及其在哈佛醫學院的合作者研究了有或沒有睡眠剝奪的年輕受試者的記憶形成。為了充分理解他們的發現，您需要一些背景知識。
睡眠與記憶鞏固
在過去的十年中，科學家們逐漸認識到睡眠和記憶之間複雜的關係。睡眠不僅能讓大腦為編碼新記憶做好準備，還能為大腦提供鞏固和整合近期學習資訊的機會。因此，睡眠可以使記憶更穩定，從而更不易受到干擾和衰退。例如，一個晚上的睡眠可以讓您更好地識別前一天晚上學習過的視覺視野中的物體，並且可以讓您更快更準確地打出前一天晚上練習過的一系列數字（Stickgold 的綜述：摘要 或 PDF 下載）。但是，研究也表明，睡眠還可以識別、提取和儲存記憶的關鍵特徵，從而使記憶在第二天更加有用。因此，一個晚上的睡眠可以增加您發現數學程式隱藏捷徑的可能性，而這個程式是您前一天晚上費力練習過的。
這種訓練後睡眠的廣泛益處表明，這種記憶處理是睡眠的主要功能之一。但我到目前為止描述的發現都與睡眠對已形成記憶的形成和回憶的益處有關。另一個問題是：睡眠如何幫助您在第二天更好地學習？或者，換句話說，缺乏睡眠如何影響您形成新記憶的能力？
睡眠與注意力
多年來，科學家們已經知道，無論您是否試圖學習某些東西，睡眠對於集中注意力於任務都是必要的。具體而言，睡眠剝奪會導致額葉和頂葉中注意力網路的啟用減少，這發生在各種認知任務中。此外，執行功能任務（被認為由前額葉皮層介導）在睡眠剝奪一夜後表現出比其他認知任務（如感知和記憶測試）更大的缺陷。這些發現使研究人員懷疑，僅僅是無法集中注意力導致了睡眠剝奪後記憶編碼的缺陷。
睡眠與記憶編碼
注意力下降應該可以解釋睡眠不足的人形成新記憶能力差的原因，這似乎是理所當然的。然而，動物研究表明，這種記憶形成不良不僅僅是注意力問題。對人類和動物的研究都發現，大腦中被稱為海馬體的部分對於形成我們和動物稍後可以回憶起的新記憶至關重要。在分子水平上，這種記憶形成被認為依賴於一種稱為長時程增強（LTP）的過程，該過程以一種使訊號更容易在神經細胞之間傳遞的方式加強神經細胞之間的連線，這必然發生在稍後回憶記憶時。在從大鼠身上取出並在組織培養中維持的海馬體切片中可以看到 LTP。對這些大鼠海馬體切片的研究表明，如果您在取出並切片大鼠海馬體之前剝奪其睡眠，則這些切片中的 LTP 會受損。這顯然與切片注意力不集中無關；它與海馬體功能有關。這就引出了 Yoo、Walker 及其同事的研究。
Yoo 及其同事使用功能性磁共振成像（fMRI）監測了前一天晚上正常睡眠或完全沒有睡眠的大學年齡受試者的大腦活動。他們掃描了這些受試者的大腦，同時受試者瀏覽了 150 張人物、物體、風景和更復雜場景的圖片，並將每張圖片歸類為室內或室外圖片。兩天後，當兩組人都得到充分休息時，他們對受試者進行了突擊記憶測試。他們向他們展示了相同的 150 張圖片，並混合了 75 張新圖片，並要求他們識別出之前見過的圖片。兩組都做得相當好，但睡眠剝奪組忘記的原始圖片幾乎是兩倍，分別為 26% 和 14%。
睡眠降低記憶的牢固性
然後，研究人員回到原始訓練課程的 fMRI 記錄，並查看了每組在學習圖片時使用的大腦部位。儘管兩組似乎都在相同的大腦區域顯示出與學習相關的活動，但睡眠剝奪的受試者在海馬體中顯示的活動明顯較少；即使 Yoo 只檢視個體在學習兩天後正確識別的圖片時看到的大腦活動，情況也是如此。即使將表現最佳的睡眠剝奪受試者與表現最差的對照組受試者（其表現與最佳睡眠剝奪受試者相當）進行比較，睡眠剝奪受試者仍然顯示出較少的海馬體啟用。相比之下，兩組都平等地激活了額葉和頂葉中的注意力網路。
這一有些異端的發現促使研究人員詢問，哪裡的大腦活動與海馬體啟用特別相關——他們希望這個問題能揭示哪個區域在記憶形成過程中與海馬體協同工作。現在出現了更多差異。與睡眠剝奪的受試者相比，休息良好的受試者在海馬體和其他通常與情景記憶處理相關的結構（包括內側顳葉的其他區域）之間表現出更強的耦合。相比之下，睡眠不足的受試者與腦幹和丘腦中的基本警覺網路表現出更緊密的耦合。顯然，睡眠不足的受試者要想成功，需要啟用海馬體以及基本喚醒迴路。
這些睡眠不足的受試者需要啟動他們的喚醒迴路以及他們的海馬體，這可能並不令人驚訝。然而，令人驚訝的是，他們似乎是以犧牲其他通常參與新記憶編碼的迴路為代價來做到這一點的。這可能進一步解釋了為什麼睡眠不足的受試者表現更差。事實上，當將在後來記住的圖片的成功編碼期間看到的啟用模式與在不成功編碼期間看到的啟用模式進行比較時，對於休息良好的受試者來說，相同的內側顳葉結構在成功編碼期間出現，但對於睡眠不足的受試者則沒有。儘管有足夠的注意力和額外的喚醒努力，但其他關鍵記憶網路仍未達到標準。
這一切都不樂觀。隨著我們越來越缺乏睡眠，用咖啡因和惺忪睡眼代替所需的睡眠，我們可以預期記住我們熬夜試圖學習的東西的能力會隨之下降。您不得不懷疑這是否值得。
Robert Stickgold 是哈佛醫學院精神病學副教授，也是該學院睡眠醫學部的研究員和臨床醫生，在那裡——當他不睡覺時——他偶爾與 Yoo 和 Walker 研究員合作，他們是此處評論的研究的作者。