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腦智前沿科普|睡眠應(yīng)是學(xué)習(xí)計劃中的重要內(nèi)容

?本文來源于:腦與心智畢生發(fā)展研究中心CLIMB



腦智前沿科普

睡眠應(yīng)是學(xué)習(xí)計劃中的重要內(nèi)容
所有人都需要睡覺,成年人約有三分之一的時間在睡覺,如果你越年輕,你會睡得越多,但這并不意味著兒童青少年會因為在床上花費太多時間而變得懶惰。事實上,沒有足夠的睡眠通常會使人感到疲勞,效率低下,無法集中注意力。良好的睡眠可以幫助我們的身體恢復(fù)精力,并在忙碌一天后為大腦提供一個“重啟”的機(jī)會。在本文中,我們將討論為什么睡眠對于長期記憶的形成特別重要。在兒童和青少年時期,我們學(xué)習(xí)、記憶和塑造大腦的能力是非凡的,所以在這些階段睡眠特別重要。本文中我們也將解釋隨著年齡的增長,大腦和睡眠之間的聯(lián)系,以及為什么睡眠應(yīng)該是學(xué)習(xí)計劃中的重要內(nèi)容。


當(dāng)你離考試的日子越來越近時,有時會覺得在這么短的時間里要學(xué)的東西太多了。既然需要學(xué)習(xí),為什么還要浪費時間在床上呢?你可能會熬夜補(bǔ)習(xí),但是睡眠對你的身體和大腦都很重要,讓你保持健康、恢復(fù)能量,在第二天依然精力充沛。睡眠為大腦(根據(jù)你的需要和經(jīng)歷)進(jìn)行結(jié)構(gòu)重塑和功能完善提供了機(jī)會,不僅對大腦的一般發(fā)育很重要,也對記憶的形成也有相當(dāng)重要的作用。科學(xué)家已經(jīng)證明,大腦在睡眠時的活動有助于將新知識儲存到記憶中,并為新的學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備——這意味著與熬夜學(xué)習(xí)相比,前一天睡個好覺會使第二天的學(xué)習(xí)效率更高。雖然這在整個生命進(jìn)程中都很重要,但在童年和青少年時期,重塑大腦的能力和學(xué)習(xí)能力是格外重要的,這段時期的睡眠也是如此。



圖1
我們?nèi)绾螠y量睡眠
(左)用小型傳感器測量神經(jīng)元、眼球和肌肉的活動,顯示為電腦屏幕上彎曲的線條(右)。在淺的非快速眼動睡眠(粉色區(qū)域)中,可以檢測到大腦活動中的睡眠紡錘波;在非快速眼動睡眠中的深度睡眠(也被稱為慢波睡眠)中,下巴肌肉放松(線條變平),大腦活動的曲線變慢變大(慢波);在快速眼動睡眠期間(藍(lán)色區(qū)域),肌肉活動是最低的,大腦活動變得更快,眼球開始出現(xiàn)快速的鋸齒狀運動。
睡眠中的大腦并不總是在做同樣的事情。一個良好的睡眠周期貫穿不同的睡眠階段,由肌肉和眼球的運動以及大腦中微小神經(jīng)細(xì)胞(稱為神經(jīng)元)的活動決定。科學(xué)家們可以通過在人睡覺時在眼睛旁邊、下巴和頭部放置微型傳感器來測量這種活動(見圖1),有時這些活動非常迅速和混亂,就像大腦在清醒和忙碌時一樣——這就是快速眼動睡眠(Rapid Eye Movement Sleep,REM)階段的情況,在這個階段眼球運動非???,肌肉極度放松,會出現(xiàn)非常生動的夢境。其余的睡眠階段統(tǒng)稱為非快速眼動睡眠,在較淺的非快速眼動睡眠中,大腦活動的短脈沖被稱為睡眠紡錘波Sleep Spindles)(見圖1)。在深度的非快速眼動睡眠中,大腦中的神經(jīng)元表現(xiàn)出慢節(jié)奏的活動,類似于海洋中的巨浪(見圖1),被稱為慢波,因此深度非快速眼動睡眠通常被稱為慢波睡眠。睡眠紡錘波和慢波都是重塑大腦的“專家”,這意味著它們出現(xiàn)得越多,大腦就被塑造得越多。
新生兒時期的睡眠時間比醒著時多,隨著年齡的增長,我們開始睡得越來越少。在發(fā)育過程中,不僅睡眠時間會發(fā)生變化,更重要的是不同睡眠階段之間的平衡也會發(fā)生變化。一般來說,隨著年齡的增長,人的慢波睡眠越來越少,而淺的非快速眼動睡眠的比例卻在增加(圖2)。科學(xué)家認(rèn)為,睡眠中的這些變化可能告訴我們大腦重塑自身的潛力。

圖2
人一生中睡眠是如何變化的
人的年紀(jì)越大,花在睡覺上的時間就越少,快速眼動睡眠和非快速眼動睡眠之間的平衡在兒童時期發(fā)生了變化:隨著兒童年齡的增長,處于深度非快速眼動睡眠也就是所謂的慢波睡眠的時間越來越少[1]

從嬰兒期到青春期,大腦在處理你的日常需求和經(jīng)歷中發(fā)生了重大的重組和優(yōu)化——腦細(xì)胞之間的新連接建立起來了;不需要的連接被刪除了;經(jīng)過重要神經(jīng)元“軌道”的信息交流加快了。至關(guān)重要的是,當(dāng)大腦的某個特定部分被優(yōu)化時,這一區(qū)域的神經(jīng)元在慢波睡眠中表現(xiàn)出更慢的節(jié)律性活動。

瑞士科學(xué)家記錄了兒童和年輕人的睡眠,并測量了他們在某些任務(wù)上的表現(xiàn)[2]。他們發(fā)現(xiàn),在時不同年齡階段的志愿者們負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)技能的大腦區(qū)域慢波最強(qiáng),而一旦技能得到更好的發(fā)展,這些大腦區(qū)域的慢波就會減弱。例如,在童年后期,在孩子們非常擅長完成復(fù)雜的動作比如騎自行車時,也是大腦負(fù)責(zé)動作的區(qū)域中的慢波最強(qiáng)的時期。當(dāng)參與者進(jìn)入大腦掃描儀時,科學(xué)家們也看到了大腦結(jié)構(gòu)的優(yōu)化:大腦的外層,即新皮層區(qū)域更薄,這反映了為了更有效地執(zhí)行任務(wù),大腦進(jìn)行了微調(diào)。慢波、技能和大腦結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系讓研究人員認(rèn)為,觀察睡眠中的慢波可能有助于我們了解大腦是如何發(fā)育的。
慢波會隨著大腦的成熟而減弱,與之不同的是,作為非快速眼動睡眠特征的睡眠紡錘波,在兒童和青少年時期數(shù)量更多、速度更快。一些科學(xué)家認(rèn)為,兒童和青少年時期睡眠紡錘波的加速反映了大腦不同部分之間更快更有效的交流。在一項研究中,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在7年的時間中,紡錘波數(shù)量增長最多的孩子在14-18歲時的一般智力測試中表現(xiàn)得更好[3]。但是我們還不知道紡錘波是如何幫助大腦發(fā)育的,這是一個令人興奮的領(lǐng)域,科學(xué)家們也在試圖了解它。
睡眠的另一個重要作用
長期記憶的形成

通過觀察睡眠,我們可以了解隨著孩子長大和學(xué)會了新技能,大腦是如何變化的。然而,睡眠還有另一個重要的作用——幫助我們形成對新事物的長期記憶,比如在學(xué)校學(xué)到的知識。

許多實驗表明,睡眠可以幫助我們記住學(xué)習(xí)到的新東西,一些研究甚至表明,不需要任何額外的學(xué)習(xí),睡眠就可以提高記憶力。例如,約克大學(xué)的研究人員在早上和晚上分別教7- 12歲的孩子學(xué)習(xí)新單詞[4],12小時后對這些孩子的記憶進(jìn)行了測試,結(jié)果發(fā)現(xiàn),那些在晚上學(xué)習(xí)然后睡覺的孩子比那些整天沒睡覺的孩子記住的單詞更多。事實上,他們能記住的單詞比睡覺前能記住的還要多——這是為什么呢?
科學(xué)家認(rèn)為,大腦有兩種不同的學(xué)習(xí)系統(tǒng),一種快,一種慢,就像寓言里的烏龜和野兔一樣。你還記得這個故事嗎,兔子在和烏龜?shù)馁惻苤信艿煤芸?,它對自己的情況很滿意,對勝利充滿信心,于是在中途打了個盹,于是讓緩慢而發(fā)揮穩(wěn)定的烏龜趕上,因而輸了比賽。大腦中的一個學(xué)習(xí)系統(tǒng)就像快速的野兔一樣工作:幫助你在白天非常迅速地學(xué)習(xí)新信息,并讓這些信息在記憶過程中中領(lǐng)先一步;然而第二種學(xué)習(xí)系統(tǒng)要慢得多,但也“聰明”得多,就像烏龜一樣,小心翼翼地把新信息和我們已經(jīng)知道的東西聯(lián)系起來。這種較慢的學(xué)習(xí)系統(tǒng)在長期內(nèi)會勝出,幫助我們在未來記住新信息,就像故事里說的那樣,當(dāng)給大腦一個睡覺的機(jī)會時,“烏龜”記憶系統(tǒng)就會接管一切。
研究表明,大腦深處的海馬體在學(xué)習(xí)中處于領(lǐng)先地位,就像動作迅速的兔子;而大腦的外層(新皮層)就像動作緩慢的烏龜(見圖3)。在慢波睡眠中,海馬快速重復(fù)白天學(xué)到的信息,并將信息傳達(dá)給學(xué)習(xí)進(jìn)度緩慢的大腦皮層。許多科學(xué)家認(rèn)為,大腦在海馬體中執(zhí)行一系列特定的慢波、睡眠紡錘波以及快波的序列,使得兩個學(xué)習(xí)系統(tǒng)能夠相互交流,這種交流加強(qiáng)了脆弱的長期記憶,并將它們與已經(jīng)儲存在新大腦皮層中的舊知識聯(lián)系起來[5]。比利時的科學(xué)家發(fā)現(xiàn),這種增強(qiáng)記憶的過程甚至可以在午睡時發(fā)生[6],他們教8-12歲的孩子一些人造物體的“神奇”作用(例如一個物體能看穿門,另一個物體能阻止雨),然后測試他們對這些關(guān)聯(lián)的記憶,同時測量大腦活動——在學(xué)習(xí)之后,海馬體立即對學(xué)習(xí)到的含義做出反應(yīng);之后他們安排一半的孩子小睡90分鐘,而另一半需要保持清醒,在第二次記憶測試中,只有睡過覺的孩子在回憶含義時,大腦皮層的活動更活躍。因此,即使在短暫的小睡之后,緩慢的“烏龜”系統(tǒng)也能贏得記憶比賽。

圖3
慢波睡眠如何幫助記憶存儲
為了確保這些新記憶安全地儲存在大腦中,海馬體在睡眠時將記憶傳遞給“緩慢學(xué)習(xí)”的新大腦皮層,即大腦的外層(綠色);通過執(zhí)行一系列慢波(綠線)、睡眠紡錘波(粉紅線)和快波(棕色線),兩個區(qū)域相互交流,使新信息得到加強(qiáng),并與已經(jīng)存在的舊知識相聯(lián)系。

現(xiàn)在你知道了,睡覺絕對不是浪費時間!相反,睡眠記憶變得盡可能的美好和持久。睡眠對你大腦進(jìn)行的重塑是至關(guān)重要的,它還有助于我們記住學(xué)到的所有新知識。從長遠(yuǎn)來看,睡眠充足的孩子在學(xué)校表現(xiàn)更好,甚至在考試中比那些熬夜學(xué)習(xí)的孩子表現(xiàn)更好[7]。所以,一定要讓睡眠成為你學(xué)習(xí)計劃表上的重要內(nèi)容,在睡著后給你的大腦安排一些重要的工作吧!


術(shù)語表

神經(jīng)元(Neurons):大腦中存儲和傳遞信息的微小神經(jīng)細(xì)胞。

快速眼動睡眠(Rapid Eye Movement  Sleep, REM):眼球快速運動、肌肉極度放松的睡眠階段,常與生動的夢境聯(lián)系在一起。

睡眠紡錘波(Sleep Spindles):大腦活動的短期增強(qiáng),研究人員認(rèn)為這有助于大腦不同部分之間的有效溝通。

慢波睡眠(Sleep Spindles):非快速眼動睡眠的深度睡眠階段,在此期間,大腦中的神經(jīng)元表現(xiàn)出緩慢有節(jié)奏的活動(慢波),研究人員認(rèn)為對持久記憶的儲存很重要。

新大腦皮層(Neocortex):是用于長期存儲知識的大腦外層。

海馬體(Hippocampus):是大腦深處的結(jié)構(gòu),有助于快速學(xué)習(xí)新信息。

參考文獻(xiàn)

[1] Roffwarg, H. P., Muzio J. N., and Dement W. C. 1966. Ontogenetic development of the human sleep-dream cycle. Science 152:608.

[2] Kurth, S., Ringli, M., LeBourgeois, M. K., Geiger, A., Buchmann, A., Jenni, O. G., et al. 2012. Mapping the electrophysiological marker of sleep depth reveals skill maturation in children and adolescents. Neuroimage 63:959–65. 

[3] Hahn, M., Joechner, A.-K., Roell, J., Schabus, M., Heib, D. P., Gruber, G., et al. 2019. Developmental changes of sleep spindles and their impact on sleep-dependent memory consolidation and general cognitive abilities: a longitudinal approach. Dev. Sci. 22:e12706. 

[4] Henderson, L. M., Weighall, A. R., Brown, H., and Gaskell, M. G. 2012. Consolidation of vocabulary is associated with sleep in children. Dev. Sci. 15:674–87. 

[5] Wilhelm, I., Prehn-Kristensen, A., and Born, J. 2012. Sleep-dependent memory consolidation–what can be learnt from children? Neurosci. Biobehav. Rev. 36:1718–28. 

[6] Urbain, C., De Tiège, X., De Beeck, M. O., Bourguignon, M., Wens, V., Verheulpen, D., et al. 2016. Sleep in children triggers rapid reorganization of memory-related brain processes. Neuroimage 134:213–22. 

[7] Gillen-O’Neel, C., Huynh, V. W., and Fuligni, A. J. 2013. To study or to sleep? The academic costs of extra studying at the expense of sleep. Child Dev. 84:133–42.

原文

James E, Joechner A and Muehlroth B (2020) From ZZZs to AAAs: Why Sleep Is an Important Part of Your Study Schedule. Front. Young Minds. 8:51

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