【#攔不住的好奇心】系列之3──用程式模擬人腦睡眠解答為何睡好能夠學習得更好

＊泛科學知識長　鄭國威老師

雖然教育一直朝著希望降低學生壓力的方向改革，但為了課業而晚睡，甚至熬夜，依舊是現代學生難以避免的體驗。前陣子一位朋友跟我分享，他剛上私立國中就讀一年級的女兒，就算沒有補習，也已經得天天熬到晚上 11 點之後才勉強完成功課，上床睡覺。這讓我想起以前也常常熬夜念書，以為這樣能高效得利用時間跟大腦，然而──事實完全相反。

因為學習有很大一部分，發生在睡眠中。科學界已經有共識， #充足且高品質的睡眠可以鞏固記憶、清除廢物，能大大提升清醒時的輸入效益。然而在睡眠的大腦中到底發生了什麼事？

最近一篇發表在《PNAS 美國國家科學院院刊》上的研究，表示在每晚的正常睡眠中，我們會在慢波睡眠階段和快速眼動睡眠階段之間循環大約五次，而這時位於大腦顳葉內側的 #海馬迴會開始上工，把清醒時學到的新穎、但快速消逝的訊息，教給大腦頂層的新皮質，轉變成 #長期記憶。科學家一直有這樣的理論，但很難獲得如何運作的證據，也無法解釋在沒有環境輸入（也就是睡著）的情況下，大腦的不同區域要如何自己互動起來。

為了解開這個問題，賓州大學跟普林斯頓大學的研究團隊利用了仿照人類神經網絡建置成的電腦模型，模擬人腦的海馬迴跟新皮質，然後讓他們跑「 #睡眠程式」。

過去的研究讓我們知道，在人類的大腦中，海馬迴的作用是 #處理新記憶 、 #情景記憶 跟 #陳述性記憶，例如「昨晚吃了什麼」、「臺灣哪一年解嚴」。而海馬迴損傷的人往往難以形成新記憶。至於 #新皮質則負責語言跟高級認知功能，以及長期記憶。兩者之間相互合作， #海馬迴就像快取記憶體， #新皮質則像是硬碟，這樣的比喻你可能也聽過。不過研究團隊想知道的是實際上兩者到底怎麼互動，除了用傳統方法監測腦波以外，他們想到何不用程式製造一顆學習者的大腦，然後讓它像人類一樣睡著？

既然是模擬，就無法說百分百正確，但的確能給我們一種直觀的感受。研究者讓模擬大腦跑起睡眠程式後，發現睡眠的循環很重要，在慢波睡眠階段，海馬迴會引導大腦重播最近發生的事情，到了快速眼動階段，則改由新皮質引導，重播比較久遠之前發生的事情。而在兩個階段中間的非快速動眼睡眠階段，海馬迴則「教」新皮質最近發生的事，然後新皮質會把已經儲存且受到激發的的知識拿出來重播，鞏固成長期記憶。

這個發現跟腦科學界目前已知的一致，這代表研究者模擬設計出的海馬迴跟新皮質，以及睡眠程式，可能很逼近真實大腦的運作過程。接下來就也可能去模擬不同睡眠習慣者的大腦記憶情形，舉例來說，或許之後你的手錶根據你的睡眠情形，就可以很準確地預測你的學習表現。當然，能夠更準確模擬人腦，也能應用於打造更像人的人工智慧。

不過，電腦只需要模擬睡眠，而且可以在很短的時間模擬幾萬回，我們人類可是需要真的、好幾個小時的睡眠。別把人腦當電腦操， #正確地保養跟使用自己的腦，學得才會好哦！

研究出處：Dhairyya Singh, Kenneth A. Norman, Anna C. Schapiro. A model of autonomous interactions between hippocampus and neocortex driving sleep-dependent memory consolidation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; 119 (44) DOI: 10.1073/pnas.2123432119