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1 睡眠的疾病
噩梦已经连续几个月以每周大概两次的频率困扰着索尼娅，这些可怕的夜晚让她感到困倦、易怒和情绪耗竭——这是“梦魇障碍”的症状表现。这种状况可能单独发生，也可能与创伤后应激障碍或焦虑症等更深层次的问题并存。为了治疗梦魇障碍，瑞士日内瓦大学医院的睡眠专家们提出了“意象重演”疗法。在这项治疗中，索尼娅需要在清醒时为一个糟糕的梦境创造一个积极的结局，并每天练习。对梦境全新的积极解读往往会延续到睡眠中，从而减少噩梦发生的频率。
但这个方法并不总是有效，因此索尼娅参加了一项新研究来测试改进后的新疗法。新研究利用睡眠的力量来强化意象重演疗法产生的相关记忆——在索尼娅的例子中，这些记忆是她清醒时练习过的对噩梦的积极解读。在随后两周的每个晚上，索尼娅会在家中一个安静的地方花上五分钟放松身心，并想象梦里那条穿过森林的路会通向一扇门，门后则是明亮、多彩、充满安全感的田野。在索尼娅和其他17名梦魇障碍患者重演积极梦境的内容时，会佩戴一副每10秒钟播放一次钢琴和弦声的耳机，这样和弦的声音会与积极的梦境情节联系起来。
在为期14天的每个夜晚，患者睡觉时都会佩戴一款睡眠工程头环。该头环可以检测到患者进入到快速眼动（REM）睡眠阶段（之所以称为快速眼动睡眠，是因为在该阶段虽然闭眼，但眼球仍然会左右移动）的时间。在这个睡眠阶段，人们的梦境往往是最为生动的。而当患者做梦时，头环会以不唤醒患者的音量播放他们在清醒时听到的钢琴和弦。
在睡眠中，大脑会重放当天的某些记忆，将它们深深“印”在神经元中从而长期储存下来，这个过程被称作记忆巩固。在这项噩梦研究中，钢琴和弦会提醒受试者那些更积极的梦境内容。“我们想要增强这些特定的记忆。”领导这项研究的瑞士日内瓦大学精神病学家拉姆普罗斯·佩罗甘夫罗斯说道。
这种新疗法减少了患者的噩梦并增加了积极的梦境。“即使你在清醒时仅仅重新演绎了噩梦中的某一个场景，其他类型的噩梦（如被追赶）也会减少，”佩罗甘夫罗斯说道。研究人员在2022年的一项报告中指出，在梦境重演时听到钢琴和弦并在睡眠中播放的治疗效果，明显比没有钢琴和弦加入的治疗效果更好。就索尼娅而言，她已不再做噩梦，情绪也有所好转。
改善睡眠可能是摆脱这一复杂困境的新途径，无论是噩梦还是情绪、记忆或运动技能受损等问题，都能够在睡眠中得到帮助。“睡眠是一个毫无防备的过程。在这段时间里，我们暂时关闭了执行控制、理性思考、逻辑决策和冲动控制等心理功能。因此，在睡眠中施加给大脑的刺激可能会以一种不同的，甚至更为有效的方式被处理。”哈佛大学医学院的认知神经科学家罗伯特·斯蒂克戈尔德如是说。
研究人员能够使用多种技术来“进入”并操纵睡眠，例如对患者的大脑进行电刺激，或者使用声音、气味来重现某些特定的经历。虽然许多技术的目的是更好地帮助我们了解睡眠在记忆和认知中的作用，但它们也有助于中风患者的康复，或者延缓老龄化引起的失忆问题。这些技术甚至可以用来减弱和特定记忆相关的不良情绪，从而缓解创伤后应激障碍、焦虑、抑郁或其他心理健康问题。
美国西北大学的记忆和睡眠研究专家肯·帕勒表示：“我希望能够找到新的方法，帮助人们在早上起床时有一个愉悦的心情。”为了使这些方法更加实用和易于普及，研究人员正在开发一系列可以让人们在家中使用的睡眠工程设备。专家表示，某些设备进入临床还需要更多的时间，这种技术的潜在风险也需要我们保持警惕。
干预记忆可能会产生意想不到的负面结果，比如引发的不稳定反而会阻碍学习。加利福尼亚大学洛杉矶分校的神经科学家吉娜·波说道：“我们（对这种技术）的了解还不够深入，像一个蹒跚学步的孩子。我们可以走路，却不知道自己要走去哪儿，也不知道该如何避免危险。”
2 睡眠与记忆
几千年来，学者们一直猜测睡眠对记忆可能有所帮助。公元一世纪，古罗马作家和教师马库斯·法比尤斯·昆体良写道：“一晚睡眠会极大地增强记忆。”然而，这个过程的细节直到20世纪脑电图（EEG）被发明后，才逐渐清晰起来。这种方法通过在受试者的头皮安放电极，来记录人类脑活动的电信号。它催生了一系列研究，表明睡眠中的大脑会按照自己的生物电节律运转。
我们的睡眠周期大约每90分钟重复一次，一整夜的睡眠通常会经历四到六个周期。第一个周期开始于浅睡眠时期，它包含两个明显的阶段。在第二阶段，神经元会产生一种被称为“睡眠纺锤波”的电信号——当科学家将其绘制成电压随时间变化的图表时，这种信号的形状呈纺锤形，就像是缠绕在棍子上的羊毛。浅睡眠会逐渐过渡到深度的“慢波”睡眠时期，在这个阶段中，纺锤波会持续存在，同时大脑中还会伴随有节奏的慢速电信号，叠加着高频的“涟漪”信号。在第四阶段，也就是快速眼动睡眠阶段，大脑神经元的活动则更接近于清醒状态，人们通常会经历奇特的梦境并出现情绪激动的体验。
研究人员推测，睡眠期间的某些大脑活动可能有助于记忆形成。20世纪70年代，剑桥大学三一学院从事计算神经科学研究的戴维·马尔提出了一套理论模型，探讨大脑如何将新信息与已有经历整合。在这个模型中，海马体（因其形状类似海马得名）在白天负责存储新形成的记忆。但是这些记忆痕迹在刚形成、人还未入睡时比较脆弱，通过睡眠它们才会得到加强，然后转移到大脑的新皮层（也就是大脑的外层皮质），与已有记忆整合在一起，长期存储下来。
在1994年一项具有里程碑意义的研究中，研究人员通过记录大脑电信号发现，海马体在慢波睡眠期间会重现白天的神经活动来强化记忆。在该实验中，当大鼠在清醒状态下穿梭迷宫时，海马体神经元之间展现出的活动模式反映了大鼠在迷宫中的位置。当大鼠入睡后，研究人员发现了相同的神经活动模式，就好像大脑正在排练穿过迷宫的路径，以此加强相关记忆。10年后，科学家使用正电子发射体层成像技术（PET）获得了人类在睡眠中重放记忆的证据——PET可以检测血液流动，帮助科学家们观测神经活动。他们发现，受试者白天在虚拟城镇中学习行动路线时活跃的脑区，在晚上的深度睡眠中会被重新激活，而这些区域的活跃程度与一个人记住这些路线的能力密切相关。
正如马尔预测的那样，海马体的记忆重放对记忆巩固至关重要。它对特定记忆进行标记并将其保存下来，同时逐渐淡化日常生活中的其他事件。睡眠的关键在于识别出那些你不想忘记的记忆。
到了21世纪初，科学家已经认识到，深度睡眠中大部分波幅较大的脑电信号（慢波振荡）起源于大脑的决策中心——前额叶皮层。这种信号像平静海面上的波浪，在大脑中从前向后平稳传播。对动物和癫痫患者（尤其是那些在大脑中植入电极以检测癫痫发作的患者）的研究提示，睡眠期间还存在其他与记忆过程有关的神经节律。比如来自海马体的涟漪波信号也可能反映了记忆重放，这一信号常常与来自丘脑的纺锤波的波谷叠加出现。当人清醒时，丘脑作为中继站，将来自感觉器官的特定信息传送到大脑皮层进一步加工。但当人们睡着后，它会屏蔽大部分外界信号，因此个体几乎对周围环境浑然不觉。有趣的是，吉娜·波的研究发现，睡眠中每分钟产生的纺锤波数量与个体的学习能力有关。
此外，还有一个更为惊人的巧合，涟漪波和纺锤波都随着慢波的起伏而上扬和下降。这种现象可能并非偶然，而是与人类演化息息相关。尽管如此，在研究者找到干预这一过程的方法之前，大脑在睡眠期间对记忆进行分析和整合的证据仍然是间接的。目前任职于德国图宾根大学的行为神经科学家扬·博恩想知道：“我们是否能够操控这些睡眠波形？”他和当时在德国吕贝克大学的团队发现，向睡着的受试者头皮施加振荡电流刺激，能够增加慢波的振幅。他们在2006年发表的一篇论文中报告称，这种操作增强了记忆。但是，电场在大脑褶皱结构中的变化几乎是不可预测的。因此，团队转向了声音刺激。博恩认为这种信号的处理过程更为可靠，它利用我们的生物通道：耳朵。
研究人员在睡眠者的慢波进入到上升阶段时，同步播放轻微的滴滴声。只要向受试者播放一个晚上，这种声音就能极大地增强慢波和纺锤波的振幅和持续时间。该团队2013年报告称，与仅经历睡眠的对照组相比，这种干预措施显著提高了实验组对120组配对单词的记忆。这项研究直接将睡眠中的慢波振荡与记忆联系起来，并揭示了利用慢波睡眠来改善记忆的潜力。
“这是一个关于睡眠工程的想法，”帕勒提出：“我们能否让这种生理过程运行得更有效？或者说，如果它的效果不够好，我们能否进行调整，让它更好地发挥作用？”随着年龄增长，慢波会减弱，这可能解释了衰老带来的记忆衰退问题。那么，增强慢波是否可以延缓记忆衰退？美国西北大学的神经学家罗尼尔·马尔卡尼和菲莉丝·徐与帕勒等人合作，成功地利用声音刺激增强了轻度认知障碍患者对词组的记忆能力。他们的研究发现，声音刺激提高了9名受试者中5人的记忆表现。
然而，这些干预措施只持续了一晚。在实际应用中，抵御记忆衰退很可能需要更长期的治疗。理论上，在睡眠期间通过外科手术植入的电极刺激大脑，可以持续增强记忆。加利福尼亚大学洛杉矶分校的神经外科医生伊扎克·弗里德和同事在2023年发表的一项研究证明，科学家可以利用深部脑刺激来持续增强记忆。弗里德曾在重度癫痫患者的大脑中植入电极以检测癫痫发作。不过，当这些患者处于睡眠且未发病状态时，他会利用电极探测并改变他们的慢波振荡。
在慢波上升期间，其中一个电极会发出电脉冲来增强“涟漪波、纺锤波和慢波的三重同步”，弗里德解释道。结果显示，所有在前一晚接受前额叶皮层电刺激的6个受试者，对图片配对的记忆表现比未接受电刺激时更好。而且，他们记忆增强的程度与大脑电信号模式的变化有关。“我们正在改变睡眠的结构，”弗里德说，“我们的目标是尝试开发一种记忆辅助装置或记忆神经假体设备”——类似于听力障碍者使用的人工耳蜗。
3 记忆激活
除了通过增强睡眠中大脑的电信号来提升整体记忆表现外，科学家还发现了许多其他方法，但仅限于增强一段特定记忆。这类策略的首次尝试利用了气味。在博恩团队2007年报告的一项研究中，当受试者学习去记住物体在网格中的位置时，会被要求嗅闻玫瑰的香味。随后，一部分受试者会在睡眠时再次接触这种玫瑰香味。结果发现，相比那些未在慢波睡眠阶段接触到气味或仅在快速眼动睡眠阶段接触到气味的人，在慢波睡眠中嗅到玫瑰气味的受试者记忆表现有显著提升。脑成像结果显示，玫瑰气味激活了大脑海马体的活动，进一步表明嗅觉刺激增强了相关记忆的重放。
两年后，帕勒和同事发现利用声音可以做类似的实验。研究者让受试者记住电脑屏幕上50个物体的位置，并在呈现物体图片时播放对应的独特声音。例如，当受试者看到一张猫的图片时会听到喵喵叫声，看到水壶时会听到烧开水的鸣响声。随后，科学家在受试者午睡时播放了其中25个声音。结果发现，受试者对午睡中播放了声音的25个物体的空间位置记忆，好于没有播放对应声音的物体——如果受试者在午睡期间听到水壶响声而不是猫叫声，受试者更能准确地回忆屏幕上的水壶位置，而不是猫的位置。
帕勒将该实验范式命名为标靶记忆再激活（TMR），它作为一种增强特定记忆的方式而受到学界关注。2022年，当时帕勒的研究生内森·惠特莫尔发现TMR能够增强受试者对面孔和姓名的记忆，并且这种提升效应在慢波睡眠最长且不中断的受试者中效果最好。帕勒认为，这种方法可以帮助有记忆问题的老年人记住对他们重要的事，比如他们孩子的姓名。
TMR还可以提高程序性记忆，这是诸如演奏钢琴曲和篮球跳投得分等技能的基础。人们在睡了一觉之后，能够更快地执行此前习得的手指动作序列。如果在慢波睡眠期间重新激活这段动作序列的记忆，例如播放学习每个手指动作时听到的音调，那么表现会进一步提高。
相似的方法还可以帮助中风患者加快康复。这些患者的基本动作因病受阻，在康复过程中需要每天重复练习。帕勒表示：“如果你想使用牙刷或拿起盐罐，你需要选择性地控制某些肌肉来完成该动作。”为了提高中风患者对肌肉的控制，美国西北大学的神经学家马克·斯拉茨基开发了一个20世纪80年代风格的视频游戏。游戏中，用户需要控制一到两块肌肉，将鼠标光标从屏幕中心移动到周围的八个目标之一（当光标到达目标时，红色方块会变为绿色）。
在2021年的一项研究中，帕勒、斯拉茨基和同事发现，TMR可以提高受试者在这个游戏中的表现。在移动光标瞄准目标时，20名健康的成年受试者会听到一个独特的声音，比如猫叫声、鼓声或钟声。经过几个小时的练习后，他们接着开始一段90分钟的午睡。当受试者进入慢波睡眠时，会听到部分练习中出现的声音，这些声音每隔五秒播放一次。醒来后的测试表明，受试者在完成该任务的速度、效率和肌肉选择方面都有所提高，能够更好地完成与午睡期间播放声音相关的红方块目标的移动。帕勒、斯拉茨基和同事正在手臂行动不便的中风患者中测试这个程序，判断它是否有效。
目前，前沿研究将声音记忆线索与睡眠慢波同步播放，从而提升TMR的效率。威尔士卡迪夫大学的神经科学家佩内洛普·刘易斯认为：“播放触发声音的时机非常重要。”她和同事发现，这种技术可以提升人们对物体之间关系的学习能力（在她的例子中是6张照片的隐藏排序），但前提是只有当声音线索在慢波的波峰播放时才有效。此外，英国牛津大学认知神经科学家伯恩哈德·斯塔雷辛纳和埃塞克斯大学心理学家洪越·V.吴的研究表明，当特定声音线索与慢波上升阶段同步时，动词-图片关联记忆可以得到显著提高。此外，在此阶段播放声音线索能够延长慢波的持续时间，并增加相关纺锤波的振幅。
干预慢波睡眠还可以转变与特定记忆绑定的不良情绪，具有提升心理健康的潜力。在一项2023年发表的研究中，香港大学认知神经科学家胡晓晴和同事利用TMR扭转了一段记忆带来的消极情绪，方法是在睡眠中将这段记忆与积极情绪词汇建立联系。他们先让受试者将无意义假词与给人带来负面情绪的图片联系起来，形成不良记忆。然后在慢波睡眠期间，将无意义假词（不良记忆线索）与积极情绪词汇一起播放。这之后，受试者因不良记忆图片产生的反感情绪较睡前有所减轻。与前一个研究相似，当积极情绪词汇的播放时机与慢波振荡的上升期一致时，扭转情绪的效果更强。
4 梦的力量
慢波睡眠在记忆巩固中的作用已经被大量研究证实，但快速眼动睡眠阶段的功能还不够明确。这一阶段的梦境通常看起来不合逻辑，是因为控制着理性思维的前额叶皮层处于离线状态，而控制视觉、运动和情绪的大脑区域仍然活跃。然而，一个新兴理论认为，快速眼动睡眠期间经历的纷繁梦境可以驯服与记忆相关的情绪，并帮助人们对发生在自己身上的事产生更广泛的理解。
神经科学家马修·沃克在2017年出版的《我们为何需要睡眠：解锁睡眠和梦境的力量》一书中写道：“快速眼动睡眠阶段的梦境提供了一种隔夜疗法。”他指出，“它能够让困境甚至创伤性情绪体验带来的痛苦感受更容易被接受。”在快速眼动睡眠期间，去甲肾上腺素（一种驱动出汗、心跳加快和瞳孔扩张等恐惧反应的神经递质）的水平会下降。因此，沃克和其他学者认为，在快速眼动睡眠期间浮现的记忆会与这些反应脱离，相关的情绪冲动也随之解耦（创伤后应激障碍患者的去甲肾上腺素水平仍然较高，因此噩梦会反复出现）。
如果这个理论是正确的，那么引导人们在快速眼动睡眠期间重温困难的经历，可能有助于化解与之相关的不良情绪。在一项2021年的研究中，受试者将令人不快的图片与特定声音关联起来后，在快速眼动睡眠期间接收了这些声音记忆线索的刺激。结果，受试者醒来后认为这些图片没那么令人讨厌了。相比之下，在慢波睡眠期间接收声音线索刺激的对照组未能产生相似结果。刘易斯认为，如果类似的方法能对人们的真实记忆起效，那它可能为治疗抑郁症或创伤后应激障碍提供新的途径。
快速眼动睡眠阶段的梦境，还可以通过潜意识学习来平息与事件相关的不良情绪。人们在梦境中通常不会梦到令人不安的事件本身，而是会梦到一个更温和，但与令人不安事件相关的记忆，从而使他们下意识地将这两种经历联系起来。斯蒂克戈尔德举了一个例子：如果他在白天经历了一次险遭车祸的恐慌事件，他可能会梦到与儿子一起玩碰碰车。该梦境会帮助斯蒂克戈尔德意识到，如果车祸真的发生，“可能也只是造成车身挡板的损坏。然而我对此的反应像是我刚刚侥幸在车祸中活下来，”他推测道，“因为与碰碰车相关的记忆让我可能意识到，即使车祸发生也不会产生严重的后果。”
因此，快速眼动睡眠中的梦境可以提供一种新的视角。斯蒂克戈尔德认为：“你需要让大脑构建其梦境叙事，这样才能评估我们对它的情绪反应。”TMR或许能被用于塑造这类梦境叙事，日内瓦的梦魇障碍研究小组强调了此类干预的可能性。TMR还可以令传统形式的心理治疗更加有效。日内瓦大学的神经科学家、梦魇障碍研究的第一作者索菲·施瓦茨表示：“任何心理治疗的目标都是改变行为、习惯和思维。因此它也是一种学习，使用TMR能够增强这类学习的效果。”
5 随时使用
大多数睡眠工程研究通常都会要求患者或受试者前往实验室进行实验，这限制了干预的范围和功效，因为人们通常不愿长时间在实验室中睡觉过夜。不过，牛津大学的认知神经科学家海迪·约翰森-伯格表示：“如果这项技术是可穿戴且便携的，那么它就有可能融入某个人的生活中。因此，即使一天干预带来的效果有限，我们也可以想象到，它的效果会随着干预时间的积累而显著增加。”
可以在家使用的商业化设备，可能是在睡眠期间增强治疗效果的一个重要途径。其中一项发明目前正在接受测试，人们想知道它是否具备增强言语记忆和加快中风康复的能力。这项发明包含一款收集运动和心率数据的智能手表，以及一台能够播放声音的智能手机。其搭载的机器学习模型能够识别慢波睡眠，并在这段时间内播放TMR的声音记忆线索。惠特莫尔和其他研究人员在一项2022年发表的研究中发现，只要声音线索播放时足够轻柔不至于干扰睡眠，在家中连续使用三个晚上就能提高人们对物体位置的记忆能力。
在美国，医生已经可以为患者开具一份手机应用程序处方，应对令人精疲力竭的噩梦。该应用程序利用人工智能分析苹果手表传感器的生物测量数据，当传感器检测到与噩梦相关的心率上升和不安状态时，智能手表会启动间歇性的轻柔震动，这可以扰乱梦境而不会唤醒正在睡觉的使用者。2023年发表的研究数据显示，在一项针对65名因创伤引起噩梦的美国退伍军人的试验中，只要受试者在至少一半的试验时间内佩戴该设备，其睡眠质量就会显著提高。
由麻省理工学院的亚当·哈尔·霍罗威茨及同事开发的手套式睡眠检测器，也可能减少噩梦。该设备通过接触手腕和手部，监测使用者入睡后的生物学体征，它还可以连接到一个能够给予语音提示（比如“树”）的应用程序。最近的一项研究显示，这能够让午睡者梦到树，并增强他们在与树相关的任务中的创造力。
6 前景与风险
尽管睡眠工程前景广阔，但专家们也在警告记忆干预存在的风险。“你的意识会越来越偏向那些大脑中被加强的记忆，”刘易斯表示，“如果每晚都这么做，没人知道这会导致怎样的失衡。”此外，这些干预措施也可能干扰睡眠。例如，在惠特莫尔和帕勒的另一项研究中，当声音线索的播放音量太大，记忆反而会变得更糟。“在我们准备好向公众推荐睡眠工程之前，还有很多问题需要弄明白。”刘易斯说道。
与此同时，这些实验为科学家带来了对睡眠更为深刻的理解，其中既包含睡眠在记忆和情感中的作用，也展示了睡眠塑造人们对世界和自身看法的过程。“这就是夜晚的意义，”斯蒂克戈尔德说道，“它将白天接收到的所有信息与我们已经拥有的信息融合在一起，帮助我们理解世界如何运转，体悟人生意义何在。”
至少对于索尼娅来说，针对性的记忆再激活结束了她夜间的梦魇。有一天晚上，她梦见自己被邀请参加一个小木屋派对。“有一个阳台可以看到群山，”她在梦境日记中写道，“我们都走出去看日落。天空是深粉色的，天气也非常好。突然间，我感觉到有人将手放在我的腰上……这个人拉着我的手，带我来到阳台的中央，我们开始跳一支没有音乐伴奏的舞。”
（撰文：英格丽德·威克尔格伦）
本版图文由《环球科学》杂志社供稿