事实上，有些梦境可以预测未来：新研究发现，在睡眠期间，一些神经元不仅会重播最近的过去，还会预测未来的经历。

这一发现是莱斯大学和密歇根大学研究小组在《自然》杂志 上发表的一项关于睡眠和学习的研究提供的一系列见解之一。这项研究提供了一个前所未有的视角，表明大鼠海马体中的单个神经元如何在它们第一次走迷宫后的休息期间稳定和调整空间表征。 “某些神经元会在受到特定刺激时激发，”密歇根大学麻醉学副教授兼研究通讯作者Kamran Diba说。“视觉皮层中的神经元在受到适当的视觉刺激时会激发。我们正在研究的神经元表现出位置偏好。” 与 Diba 领导的密歇根大学神经回路和记忆实验室的合作者一起，莱斯大学神经科学家Caleb Kemere 一直在研究这些特殊神经元在获得新体验后产生世界表征的过程。具体来说，研究人员追踪了尖波涟漪，这是一种已知在巩固新记忆中发挥作用的神经元激活模式，最近还发现它可以标记 新体验的哪些部分应存储为记忆。 “在这篇论文中，我们首次观察到这些单个神经元如何在休息期间稳定空间表征，”莱斯大学电气和计算机工程与生物工程副教授凯梅尔说。

睡眠对记忆和学习至关重要⎯科学通过测量小睡后(而不是一段时间清醒或睡眠不足后)的记忆测试表现来量化这一古老的直觉。

几十年前，科学家还发现， 如果动物在休息前被允许探索新环境，那么它们大脑中的神经元会以重现动物探索过程中轨迹的方式放电。这一发现与睡眠有助于新体验结晶为稳定记忆的认知相一致，因此表明海马体中许多特殊神经元的空间表征在睡眠期间是稳定的。然而，研究人员想看看故事是否还有更多内容。

“我们想象一些神经元可能会改变它们的表征——反映出我们醒来时对问题有了新理解的经历，”Kemere 说。“然而，要证明这一点，我们需要追踪单个神经元如何实现空间调谐，即大脑学习导航新路线或环境的过程。”

研究人员训练老鼠在凸起的跑道上来回奔跑，跑道两端都有液体奖励，并观察动物海马体中单个神经元在此过程中如何“放电”。通过计算来回多圈的平均放电率，研究人员能够估计神经元的位置场——或者特定神经元最“关心”的环境区域。

“这里的关键点是位置场是根据动物的行为来估计的，”Kemere 说，他强调了评估动物在休息期间(即动物没有在迷宫中移动时)位置场发生的情况的挑战。

“我很久以来一直在思考如何评估迷宫之外的神经元偏好，比如在睡眠期间，”迪巴说。“我们通过将每个神经元的活动与所有其他神经元的活动联系起来来解决这一挑战。”

这是这项研究的关键创新：研究人员开发了一种统计机器学习方法，利用被调查的其他神经元来绘制动物梦到的位置的估计值。接下来，他们使用这些梦到的位置来估计数据集中每个神经元的空间调谐过程。

迪巴说：“即使在没有刺激的情况下也能够追踪神经元的偏好，这对我们来说是一个重要的突破。”

Diba 和 Kemere 都对密歇根大学博士后研究员兼这项研究的主要作者 Kourosh Maboudi 在学习调节方法的开发中所发挥的作用表示赞赏。

该方法证实，对于大多数神经元来说，在体验新环境期间形成的空间表征在体验后的几个小时内都是稳定的。但正如研究人员所预料的那样，故事还远不止于此。

“我最喜欢这项研究的地方，也是我如此兴奋的原因是，我发现这些神经元在睡眠期间所做的唯一事情不一定就是稳定体验记忆，”凯梅尔说。“事实证明，有些神经元最终会做其他事情。

”“我们可以看到这些其他变化在睡眠期间发生，当我们第二次将动物放回环境中时，我们可以验证这些变化确实反映了动物在睡眠时学到的东西。就好像第二次接触空间实际上发生在动物睡觉时。”

这很重要，因为它构成了对睡眠期间发生的神经可塑性的直接观察。凯梅尔强调，几乎所有的可塑性研究——研究允许神经元重新连接和形成新表征的机制——都是关注在清醒期间出现刺激时发生的情况，而不是在睡眠期间没有相关刺激时发生的情况。

“似乎大脑的可塑性或重新布线需要非常快的时间尺度，”迪巴说，指出实际体验的持续时间与实际记忆之间存在着令人着迷的关系，“实际体验可能需要几秒钟、几分钟，也可能是几小时或几天的时间”，而实际记忆“是高度压缩的”。

迪巴说：“如果你记得任何事情，记忆就是瞬间的，”他引用了法国现代主义作家马塞尔·普鲁斯特的一段著名文学作品 ，其中童年的记忆在几乎一瞬间就将整个失落的过去经历世界解开。

这项研究是过去几十年来神经科学进步的一个例子，这一进步得益于稳定、高分辨率神经探针设计方面的技术进步以及机器学习支持的计算能力。

鉴于这些进展，Kemere 表示脑科学有望在未来取得重大进展，同时他也对近期预算削减对持续研究的影响表示担忧。

“如果我们今天开始这项工作，我们很可能无法进行这些实验并获得这些结果，”Kemere 说。“我们非常感激有这样的机会。”