「休息一下再学」不只是放松，竟还可以提高记忆力？神经科学研究

丁香学术2021-09-08

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导读

我们很多人都有过这样的经历：在考试前一天，我们挑灯夜读，试着把大量的信息塞进大脑，所谓「临阵磨枪，不快也光」，虽然说这种方式能够帮助我们应付第二天的考试，但这样获得的知识往往很快就被遗忘。

不过，我们可以通过改变学习方式而抵消这种遗忘：那就是在学习过程中穿插休息时间，知识能更有效地被保留在长期记忆中。这种通过延长学习间隔时间可以大大增强记忆、延长记忆的现象被称为「间隔效应」。这种效应从软体动物到人类均有被描述，被认为是由分子和突触过程介导的，涉及关键信号蛋白和转录因子的激活和表达，进而导致突触可塑性的增加。

但是，在间隔效应中大脑会发生哪些变化呢？为什么休息对我们的记忆如此有益？传统观点认为，在学习过程中，神经元被激活并形成新的连接，通过这种方式，学习到的知识被储存起来，并可以通过重新激活同一组神经元来进行记忆。

尽管如此，但到目前为止，人们还没有研究过间隔学习是如何影响大脑神经元的活动，也就是说，我们对在此过程中大脑发生的变化仍然缺乏深刻的认知。

2021 年 7 月 28 日，来自德国马克斯-普朗克神经生物学研究所的团队在 Current Biology 在线发表了题为 Spaced training enhances memory and prefrontal ensemble stability in mice 的研究性文章，报道了间隔训练的确可以改善记忆，并伴随着背内侧前额皮层（Dorsal medial prefrontal cortex, dmPFC）神经元集合的激活增强。不过，间隔效应并不影响激活神经元的数量，而是影响了神经元集合内的突触强度。

图片来源：Current Biology

主要研究内容

首先，研究人员对小鼠进行日常记忆任务的重复训练，每个训练阶段包括三个记忆编码实验（Encoding Trials, ETs）和三个记忆检索实验（Retrieval Trials, RTs）。

在三次连续的实验中，小鼠在迷宫中探索并找到他们的奖励（隐藏的巧克力块）。每次操作结束后，研究人员都会改变迷宫的空间配置和起始框的位置。因此，老鼠必须重新学习并记住在接下来的每一个回合中不同的奖励位置。每次实验的表现被量化为老鼠找错位置的次数。

为了检验学习时间间隔对记忆编码和检索的影响，研究人员测试了 4 种试验间隔：30 秒、10 分钟、30 分钟和 60 分钟。并设定在记忆编码实验 2.5 h 或 24 h 后进行记忆检索实验，分别用以研究学习时间间隔在当天或次日对记忆检索的影响。

结果发现，在学习阶段的训练中间隔时间越长，24 h 后的记忆提取能力越强，2.5 h 则没有观察到此效果。

图片来源：Current Biology

在学习记忆中，dmPFC 神经元的激活是必需的

随后，为了探索日常记忆训练过程中大脑的活动，研究人员在迷宫测试中测量了前额叶皮层神经元的活动。这个大脑区域在复杂的思考任务中扮演着重要的角色。

研究人员使用 c-Fos 的表达量化了神经元的激活，结果发现，在记忆训练后，c-Fos 的表达水平高于对照组。不过，表达 c-Fos 的神经元数量在多种不同时间间隔的训练中是相似的。这表明，在记忆编码过程中，间隔训练并没有增加激活的神经元数量。

图片来源：Current Biology

为了进一步证实 dmPFC 在日常记忆任务中的因果作用，他们使用 hM4D(Gi) 对该区域进行抑制。结果发现，dmPFC 的失活通常会损害日常记忆训练中的记忆表现，这也表明该区域是记忆所必需的。

图片来源：Current Biology

间隔实验增加了 dmPFC 激活模式的稳定性

接下来，研究人员评估了间隔实验在整个过程中是否能稳定神经元群的活动模式，也就是说，是否能促进后续试验中类似神经元群的重新激活。结果发现，当间隔时间较长时，第一组和第二组记忆编码实验之间的相关性增强，表明 dmPFC 神经元群能够更精确地被重新激活。

图片来源：Current Biology

此外，实验间隔增加了第三组记忆编码实验和第一组记忆检索实验之间的整体相关性，表明随着学习时间间隔的增加，在学习记忆过程中存在的神经元群体活动模式更有可能在检索过程中被重新激活。总的来说，增加时间间隔增强了编码过程中记忆整体活动模式的再激活，同时加强了记忆的保持。

图片来源：Current Biology

神经元集合的大小不受时间间隔实验的影响

最后，研究人员评估了时间间隔实验是否改变了神经元集合的大小。他们发现，在随后进行的记忆编码实验和记忆检索实验中，神经元整体的活动增加了，单个神经元的反应也更强烈。然而，活跃神经元的相对数量和其平均活性，都不会因间隔实验而改变。

图片来源：Current Biology

结语

综上所述，本研究探讨了间隔效应是否通过改变神经元集合的特征来增强记忆。研究结果表明，前额神经元活动是日常记忆任务执行所必需的，同时，在学习和记忆提取过程中，当间隔时间增加时，神经元整体的活动模式会更精确地被重新激活，但并不影响被激活的整体神经元的大小，也不影响对特定任务相关行为作出反应的神经元亚群的大小。

重新激活相同的神经元可以让大脑在每个学习阶段加强这些细胞之间的联系，这有利于记忆的保持和提取。通讯作者 Pieter M. Goltstein 说：「这就是为什么我们相信必要的休息对记忆是有好处的。」

总之，这项研究首次解释了在学习过程中休息的积极作用。通过间隔学习，我们可能会使用更多的时间达到我们的目标，但「磨刀不误砍柴工」，这种学习模式会让我们对知识的记忆更加深刻和持久。希望下次考试的时候，可以尝试这种「间隔学习」，说不定会取得更加优异的成绩！

题图来源：站酷海洛

参考文献

1. Glas et al., Spaced training enhances memory and prefrontal ensemble stability in mice, Current Biology (2021).

2. Kogan, et.al. (1997). Spaced training induces normal longterm memory in CREB mutant mice. Curr. Biol. 7, 1–11.

3. Choi, J.-H., et.al (2018). Interregional synaptic maps among engram cells underlie memory formation. Science 360, 430–435.