生命科學

睡眠學習不是夢

科學家發現了睡眠狀態下的大腦強化記憶的生理機制。

撰文/派勒(Ken A. Paller)、歐帝耶特(Delphine Oudiette)
翻譯/謝伯讓

生命科學

睡眠學習不是夢

科學家發現了睡眠狀態下的大腦強化記憶的生理機制。

撰文/派勒(Ken A. Paller)、歐帝耶特(Delphine Oudiette)
翻譯/謝伯讓


在赫胥黎(Aldous Huxley)的《美麗新世界》中,一個不會說英語的男孩,背下了一場英語演講中的每一個字。學習的過程是在男孩睡覺時播放演講,當他醒來後可以背誦出整場演講內容。小說裡反烏托邦世界的極權政府,應用這個方法來潛移默化人民的心智。睡眠學習在文學、大眾文化和古代傳說中屢見不鮮,以美國卡通頻道播映的動畫「德克斯特的實驗室」(Dexter’s Laboratory)為例,主角德克斯特有一次蹉跎時光來不及做功課,於是發明了可以在夜間睡眠時學習法語的裝置,隔日起床後就變成只會說法語的人。在睡眠中學習並非只是現代人的想像,也出現在藏傳佛教數百年來的傳統心智訓練方法中:在睡眠時輕唸某一咒語,可幫助僧人認知到夢中的事物皆是幻境。


一般人都知道,充份休息後的學習效果比較好,但是大部份的人都不相信可以在睡眠中學習。不過現在情況似乎變得有些複雜,因為一連串的研究結果顯示,學習的某一關鍵部份發生在睡眠狀態:新形成的記憶會在夜間重新浮現,而這個重新播放的過程可強化記憶,讓大腦永遠記住某些內容。


有些研究甚至探究了以操弄睡眠來增強學習能力的可能性。研究人員發現,睡眠時固化白天記憶內容的機制,可透過聲音和氣味強化。齧齒類實驗更發現了一種初步的記憶植入型式:在動物睡眠時施以電刺激,可教導動物醒來時走迷宮。至於在一夜之間把整本書逐字背下,那只是赫胥黎對於睡眠學習的想像,目前仍只存在於他1932年出版的經典作品中。不過,現在已有實驗指出,當人在深度睡眠時記憶有可能受到修改,這也為在睡眠中學習的科學奠定基礎。


心靈通話機


為了讓這些技術派上用場,科學家必須先研究一個問題,就是大腦進入休息狀態時,如何持續吸收資訊?大約在赫胥黎寫下《美麗新世界》的那幾年,操弄睡眠的科學研究剛好展開。1927年,紐約客薩利格(Alois B. Saliger)發明了一台「自動定時提示機」,這台機器可錄下訊息,並在夜間重複播放,薩利格把它命名為「心靈通話機」(psychophone)。這項發明似乎很類似赫胥黎想像中的科技,只不過是由使用者來決定訊息內容,而非國家統治者。


1930~1940年代,一些研究人員針對薩利格的發明進行後續研究,找到了一些看似有效的睡眠學習方式。1942年美國威廉與瑪麗學院的心理學家洛杉(Lawrence LeShan)發表了一篇論文,記錄了研究人員在夏令營治療男童咬指甲行為的實驗細節。在一間睡有20位男童的房間裡,洛杉使用攜帶式留聲機反覆播放「我的指甲嚐起來非常苦」。每晚在就寢時間開始後150分鐘重複播放此訊息300遍,持續54個晚上。最後兩星期留聲機故障,充滿毅力的洛杉便親自口述。結果發現,20名男童有8名不再咬指甲,另外20名對照組男童則無人改過。可惜這些早期研究,並沒有記錄生理反應以確定男童是否真的進入睡眠狀態,因此研究結果有待驗證。


1956年,此研究領域受到嚴重打擊。美國軍方智庫蘭德公司的兩位科學家使用腦電圖(EEG)記錄了96名受試者在睡眠中聆聽各種問題與答案時的腦部活動︰例如在南北戰爭前,美國第18任總統格蘭特(Ulysses S. Grant)當時在哪裡工作?(答案是五金行。)結果發現,隔天詢問受試者時,只有前一晚聽到資訊時腦波狀態顯示為清醒的受試者才能正確回答。這項研究結果導致睡眠學習領域轉移研究方向長達半世紀,研究人員對大腦能在睡眠狀態學習的可能性失去信心:這些實驗中的受試者似乎只有在尚未睡著時,才能接受到資訊。


當時的科學家開始避免睡眠學習這個主題,不過有些研究人員則開始專注於研究睡眠是否有助於記住新訊息。一項典型的實驗典範是測試睡眠剝奪是否會影響學習新事物的記憶力;另一項實驗典範是測試小睡片刻(與不小睡相比)是否有助於記憶。


各種混淆變因都可能干擾實驗結果,例如剝奪睡眠導致壓力增加,可能降低認知功能,使記憶能力變弱。認知神經科學家最後匯集了不同研究方法來處理這些挑戰,為數不少的實驗逐漸證實,睡眠確實能強化白天所獲得的記憶。這些發現重新建立了睡眠與記憶的關聯,並使睡眠學習成為受科學界認可的研究議題。許多研究人員專注於探討睡眠中的快速動眼(REM)階段,也就是做夢最頻繁且清晰生動的睡眠階段。


研究人員的假設是,大腦在睡眠時的記憶處理機制和做夢息息相關,但當時沒有明確證據。1983年,兩位知名的科學家(皆非心理學家)美國生物學家米奇森(Graeme Mitchison)與英國分子生物學家克里克(Francis Crick)大膽猜想,快速動眼睡眠和遺忘有關。美國威斯康辛大學麥迪遜分校的研究人員托諾尼(Giulio Tononi)和西哈利(Chiara Cirelli)也主張,睡眠可能弱化了既有的神經元連結,讓隔天學習新資訊時,大腦產生新連結比較有效率。


夢中的氣味與聲音


有些研究人員則把注意力集中在慢波睡眠(SWS,沒有快速動眼的深度睡眠階段)。2007年德國盧比克大學的認知神經生理學家拉許(Bjorn Rasch)及同事進行了一項睡眠實驗,受試者在睡前得知一系列物體的空間位置,同時聞到玫瑰氣味;接下來在實驗室中睡覺時,實驗人員會再次施放玫瑰氣味,同時以腦電圖來確認受試者處於何種睡眠階段。


氣味會刺激海馬回,也就是負責學習空間導航並記憶新知識的腦區。受試者起床後被要求回憶每個物體的空間位置。結果顯示,只有在慢波睡眠時受到玫瑰氣味刺激的受試者,記憶表現較佳。


2009年我們的實驗室拓展了這項方法,把氣味改成聲音。我們發現,在慢波睡眠時播放聲音,可以改善受試者回憶特定物體的能力。(在先前的氣味實驗中,受到影響的是整組物體。)在我們的實驗中,採用了一種稱為「特定記憶再活化」的程序,我們先讓受試者得知50個物體的空間位置,例如貓位於電腦螢幕上的某個角落,而茶壺在螢幕上的另一個位置。受試者在學習每個物體的位置時,同時會聽到一個聲音(例如貓會搭配「喵」的聲音,茶壺則會搭配汽笛聲)。


之後受試者在實驗室小睡。我們透過受試者頭殼上的電極記錄腦電波變化,確認受試者是否進入睡眠狀態。這些腦電圖記錄提供了有趣的實驗資料,讓我們檢視與記憶再活化有關的大腦神經元網路的同步活動(參見38頁〈睡眠的指揮家〉)。當我們偵測到受試者的腦波進入慢波睡眠階段時,我們就會播放聲音(例如「喵」、汽笛聲或在得知位置資訊時曾經和物體配對過的聲音)。這些聲音以輕微音量播放,只比背景雜音稍微大聲一點,以免吵醒受試者。


我們要求受試者小睡後回憶各個物體的位置,結果發現,受試者對於在睡眠中曾以聲音提醒過的物體,記憶表現較佳。在這些實驗中,無論是以聲音或氣味提醒受試者,都明顯造成了空間記憶再活化,遺忘率也因此降低。


一開始,我們使用的聽覺刺激程序受到許多質疑。睡眠科學家普遍認為,除了嗅覺,大腦中的感覺迴路在睡眠時大都是關閉的。我們並沒有因為這樣的傳統觀點而退卻;相反地,我們堅持自己的研究直覺,認為反覆播放輕柔的聲音可影響睡眠中的大腦,並改變近期記憶。許多後續實驗也發現了類似的記憶強化現象。功能性磁共振造影(fMRI)技術找到了特定記憶再活化的相關腦區,而腦電圖研究則指出了特定大腦神經活動共振的重要性。2018年英國約克大學心理學家凱尼(Scott Cairney)的研究團隊以及美國普林斯頓大學神經科學家安東尼(James Anthony)的研究團隊所發表的兩篇論文中,發現了神經活動振盪、睡眠紡錘波以及特定記憶再活化效應的關聯。


我們的研究發現,除了強化空間記憶,特定記憶再活化技術也可增強其他情境下的記憶能力,例如可幫助人腦記住音樂旋律、記住新單字或文法規則。這項技術也有助於更簡單的學習型式,例如調整一個人的身體動作反應。在典型的行為制約實驗中,當受試者學習到某個刺激總是伴隨電擊出現,受試者的身體就會對這個刺激產生制約反應,而特定記憶再活化技術能改變這種習得的制約反應。有許多研究正在檢視其他種類的記憶能力,例如第一次認識新朋友時連結臉孔和名字。


隨著特定記憶再活化技術的發展,接下來可測試特定記憶再活化技術是否能幫助治療各種疾病,例如戒除成癮行為或加速疾病復原。我們的實驗室和美國西北大學神經學家史洛斯基(Marc Slutzky)正在測試一種新的復健程序,希望能協助中風後的手臂恢復運動能力。在這項治療程序中,我們在病人睡眠時重複播放聲音,希望能夠加速病人重新學會手臂運動。我們對治療效果充滿信心,因為我們已在健康受試者身上發現特定記憶再活化技術有助於類似型式的運動學習。


制定睡眠學習計畫


由於上述發現顯示記憶在睡眠中可被強化,我們試著追問《美麗新世界》中引起道德爭議的技術,是否可能成真?入睡後,大腦可否處理新資訊?在人們毫無自覺的情況下創造出記憶,是否完全不可能?


關於這些猜想,多年來科學界的回應一直是:絕對不可能。但英國劍橋大學的研究人員雅濟(Anat Arzi)和同事發現,氣味刺激可在人睡眠時使大腦產生相對簡單的記憶。在一項實驗中,研究人員成功降低了癮君子抽菸的欲望。在癮君子受試者睡覺時,實驗人員施以兩種氣味刺激︰菸味和腐臭魚味;接下來一星期,曾經受過混合這兩種氣味刺激的受試者,點菸次數下降了30%,顯示抽菸和討人厭的腐爛魚味產生了制約連結。


習得較複雜的記憶就沒那麼容易,但有一天可能會成功。法國國家科學研究中心(CNRS)的神經科學家班奇南(Karim Benchenane)和同事已發現一種方法,可名副其實地改變小鼠的心智。當動物在探索新環境時,腦中有一種名為「位置細胞」的神經元,會在動物經過特定地點時活化,而這些神經元在睡眠時會再度活化,宛如記憶被重新播放。


當小鼠腦中的位置細胞在睡眠中自發性活化時,研究人員便同時刺激小鼠腦中的報償系統(前腦內側神經束)。神奇的是,小鼠醒來後會在曾被刺激過的位置細胞所對應的空間位置待上較長時間,而且在睡醒時直接走到該處。我們仍需進一步實驗來探究,究竟小鼠是在睡眠中被植入了完整的假記憶,還是牠們只是在制約下被自動引導到那些定點?


可能性的疆界仍然有待探索,但CNRS研究已顯示,某些學習機制在夜間大腦看似離線時,仍然持續運作。睡眠不只有助於我們恢復精神和保持警覺,也可以強化我們先前清醒時所獲得的記憶。關於離線時的記憶處理機制,我們仍有很多未知之處。未來的研究必須釐清,睡眠為何有益學習,以及哪些大腦機制負責保留最重要的記憶。還有一項重要的工作,就是找出睡眠品質不良或睡眠不足所造成的危害,以及各種可能影響睡眠的因子,包括生活壓力、疾病以及老化。


美國西北大學的心理學家威斯特伯格(Carmen Westerberg)在一項研究中朝著這個方向邁進了一步。他測試了記憶受損病人(失憶型輕度知能障礙,通常會演變成阿茲海默症),並透過人為介入來延遲病人入睡時間,結果發現,睡眠品質不良與記憶力衰退有關。這些關於睡眠的新知識或許可幫助我們制定睡眠學習計畫,以協助固化記憶、加速習得新知識、甚至戒除抽菸等惡習。


眼光放得更遠一點,科學家或許也可進一步探索操控夢境,並運用這種方式來協助治療噩夢、在睡眠中增強大腦解決問題的能力,或甚至進行娛樂性的睡夢旅遊。在這個已經擁有腕帶式睡眠追蹤器以及郵購基因測試的年代,我們可以大膽構想新的方式,來把每天的睡眠轉變成豐富的體驗,對某些人來說,這個前景讓人顫慄,但對於某些人來說,那是另一種可改變自己的大好機會。