在睡眠中处理记忆不仅有助于抵消记忆的减弱，还有助于解决问题、创造力和情绪调节。然而，基于睡眠的处理过程也有不好之处，比如忧虑被过度重提。因此，关于记忆和睡眠的研究进展可以阐明这一过程是如何影响我们清醒的生活的，这可以进一步激励人们开发新的策略，减少睡眠中有害的沉思类活动，促进有益的睡眠认知。
1. 记忆和魔术工具箱
人们在有生之年获得并保持了大量的信息，但很难理解这是如何发生的。尽管记忆研究主要集中在获取和提取这两个基本步骤上，但在这篇文章中，我们强调的是记忆在睡眠期间经历的处理。
新知识不是瞬间吸收的；相反，记忆存储会随着时间的推移而改变。虽然巩固可能涉及长期运作的机制，但关键部分可能发生在睡眠期间。本文详细阐述了睡眠期间的记忆重新激活如何有助于记忆的稳定性和使用。我们还关注了基于睡眠的处理如何助于创造性洞察力和心理健康。
作为每晚的仪式，一些人喜欢通过写日记的方式记录下每一天的亮点。事实上，在晚上睡觉之前，我们每个人(不管是不是写日记的人)都能够记住一天中发生的很多事情，包括活动、思想、情绪以及与他人的互动，然而，大多数都不是那么容易记住的。
为什么有些记忆可以在多年后被详细回忆？当记忆存储通过巩固机制改变后，遗忘和干扰可以避免。尽管如此，记忆存储仍不能为我们提供逐字读出或完整的日记，记录我们每天经历的各种事件、想法和情绪。这些记忆塑造了我们的个性、视角和决策。人脑控制着一种非凡的能力，能够自适应地从我们的经历中学习，从而改善应对生活挑战的方式。
大脑的可塑性使其能够根据其使用方式改变其功能。多亏了记忆存储的不断变化，我们不仅有了可以使用的新知识，而且还有能力以不同的方式使用我们的大脑。
我们在这里假设，巩固在很大程度上是在我们不知情的情况下发生的，因为我们当时正在睡觉。此外，了解睡眠过程中记忆处理的神经生理学可能有助于了解清醒时形成的记忆是如何保存和转化的，以及它们是如何改变我们的。归根结底，睡眠期间记忆存储的变化可能不仅会塑造我们能记住的东西，还会塑造我们是谁。
2. 系统级别的记忆巩固
陈述性知识被用于我们所做的决定，非陈述性知识往往不会记住它是在何时何地获得的。这两类记忆可以相互作用，也可以与工作记忆(在线维护和处理信息)相互作用。重要的是，多种类型的记忆通常会影响我们的思考方式和决策。
陈述性记忆：依靠回忆和识别事实和事件信息的记忆
非陈述性记忆：一个涵盖技能、习惯、条件反射、启动和其他内隐学习类型的总称，所有这些都是典型的无意识记忆
当代记忆研究的一个指导原则是，不能依靠单一的机制来解释所有的记忆现象。因此，理解一种特定类型的记忆的挑战包括详细说明大脑系统如何运作以支持记忆功能，以及该运作与其他大脑系统的运作有何不同。尽管有这一指导原则，一些概念可能以基本相同的方式适用于许多或所有类型的记忆。例如，睡眠可能与知觉学习，技能学习，配对-联想学习甚至所有类型的学习普遍相关。这个想法还没有定论，但现在看来很清楚的是，许多类型的记忆在睡眠过程中都会以这样或那样的方式发生变化。
陈述性记忆依赖于大脑皮层的特定部分，每个部分专门处理特定类型的信息。对事实和事件的记忆总是依赖于这些基于皮层的记忆片段之间的联系，例如不同的感觉或概念属性。因此，陈述性记忆的特点是依赖于新的跨皮层连接。跨脑区连接的可塑性，包括多个皮质区域和其他大脑结构，可能是巩固的关键，或者更具体地说，是系统巩固的关键，这与突触巩固相反，突触巩固涉及细胞和分子方面的巩固。
大脑皮层本身并不具备将整个经历转化为持久记忆的能力。内侧颞叶，包括海马体，为大脑皮层提供持久储存陈述性记忆的能力。与这一观点一致的是，内侧颞叶的损伤可能会导致严重的学习障碍，或顺行性健忘症。据推测，海马体有助于快速获得陈述性记忆。陈述性记忆可以通过一个较慢的过程逐渐稳定，在此过程中，皮层网络在海马引导下发生改变。通过这种方式，一些陈述性记忆可以独立于海马，可能会丢失掉与其获得的环境有关的各种上下文特征的细节，仅保存最基本的事实、大体轮廓或所获得的信息的一部分。此外，海马可能继续参与某些特定情节细节记忆的提取。
记忆稳定是一个渐进的过程，发生在最初的编码阶段之后。在学习15分钟后给予电击的啮齿动物中观察到逆行性健忘症。相反，在学习后1小时施加电击时，记忆仍然完好无损，证实了学习后巩固的概念。人类的陈述性记忆在学习后会经历数月的巩固。当然，在巩固的许多方面仍有不同意见和辩论的余地，包括如何表征海马的贡献。将记忆巩固的主要作用归因于海马体是在H.M.患者的严重记忆损伤的报道之后，他接受了内侧颞叶切除术作为顽固性癫痫的治疗。大脑这一区域的损伤通常不仅会导致顺行性遗忘，而且还会产生时间渐进性的逆行性遗忘。因此，来自逆行记忆缺陷的证据符合这样一种观点，即随着巩固的进行，在最初获得之后可能会有一段较长的时间段，陈述性记忆依赖于海马-新皮质的连接。
顺行性遗忘和逆行性遗忘是遗忘的两种形式，顺行性遗忘指回忆不起疾病发生以后一段时间内所经历的事件，近期的事件记忆差，不能保留新近获得的信息，而远期记忆可以保存。逆行性遗忘指回忆不起在疾病发生之前某一阶段的事件，过去的信息与时间梯度相关的丢失。
陈述性记忆巩固的一种假定机制涉及参与学习的神经回路。在啮齿动物海马区的位置神经元的活动中首次观察到相关的生理重激活，当动物占据特定的空间区域时，这种神经元会选择性地放电。与其它细胞相比，该位置细胞在睡眠中更频繁地被激发。在一项关于记忆巩固的开创性研究中，Wilson & McNaughton发现，海马中的位置细胞活动很可能在睡眠期间再次激活。这一发现后来被扩展到，清醒时动作电位的时间模式在睡眠中重复，构成记忆重播。这些结果提出了一种假设，即记忆是通过在海马内重新激活来增强的。对啮齿动物的其他研究表明，重激活是海马-皮质连接的一个重要方面。现在许多发现支持这样的观点，即在清醒的休息期和睡眠期间记忆的重新激活都与记忆的修改、整合和稳定有关。
睡眠被分成不同的阶段。尽管未来睡眠研究和神经解码的进步可能会导致我们对睡眠生理学思维的改进，但现代的方案将快速眼动(REM)睡眠与非快速眼动(NREM)睡眠的三个阶段区分开来。在脑电图、眼电图和肌电图上，每个阶段都有明显的电生理特征。NREM包括阶段1(N1)、阶段2(N2)和阶段3(N3)。在这三个阶段中，随着唤醒能力的降低，睡眠从浅睡眠进入深度睡眠。N3(以前分为N3和N4)也被称为慢波睡眠，因为在脑电图中观察到高振幅的慢波(0.5-4 Hz)。夜间睡眠由多个周期组成，通常持续时间为90分钟，包括浅睡眠、慢波睡眠、快速眼动睡眠(REM)，然后返回非快速眼动睡眠(NREM)。大多数睡眠通常是在N2和慢波睡眠中度过的，这两个阶段与记忆巩固关系最大。
记忆处理在睡眠中可能特别有效，因为它具有独特的生理和神经化学特性。当然，在唤醒过程中可以根据新的体验随时修改或更新记忆。在睡眠期间，由于感觉门控和环境因素的增加，传入的感觉信息通常要少得多。当记忆在睡眠期间被重新激活时，巩固可能确实更有效，更不容易受到干扰或污染。
3. 睡眠中记忆巩固的生理学
与清醒时期相比，在睡眠后对各种类型信息的检索更优越。在啮齿动物中，一致的证据表明快速眼动(REM)睡眠在记忆巩固中起因果作用。从历史上看，人们曾多次尝试将快速眼动睡眠与记忆联系起来，关于快速眼动睡眠在巩固中的作用，仍有不同的观点存在争议。本文我们强调要更好地理解非快速眼动(NREM)睡眠的作用。
一项关于基于睡眠巩固(有时被称为主动系统巩固假说)的研究表明，在NREM睡眠期间，海马中记忆的重激活决定了皮层网络的变化。另一种解释是突触动态平衡假说，它将睡眠对记忆的益处归因于突触强度的普遍降低，从而提高了记忆提取的信噪比。两种假说并不是相互排斥的。
通过重激活实现与睡眠相关的巩固似乎与睡眠的某些生理特征密切相关，特别是在慢波睡眠(SWS)期间，表现为场电位振荡，似乎以嵌套振荡的形式编排在一起（图1）。在海马局部发现的尖波/波纹复合体(SWR)嵌套在丘脑-皮质睡眠纺锤体的谷底，而丘脑-皮质睡眠纺锤体反过来又在皮层慢振荡(SOs)的峰值上。大脑区间交流的同步时间框架使得巩固成为可能。
慢波睡眠(SWS)：脑电图中观察到的以皮层慢波(0.5-4赫兹)为主的最深睡眠。
嵌套振荡：在一个频率上的振荡与另一个低频振荡的特征(如峰或谷)相一致
图1 在慢波睡眠中，陈述性记忆的巩固涉及到多个大脑区域和神经元之间的相互作用，这在图中所示的一系列大脑振荡中得到了反映。其中最慢的是新皮层缓慢振荡(红色)。丘脑-皮质纺锤波(蓝色)与缓慢振荡高峰状态的同步促进了记忆处理。海马体中可以产生尖锐波/纹波复合物(绿色，规模更大)，并且与纺锤体同步。
3.1 尖波/波纹复合体
在啮齿动物海马CA1区的记录中，通常可以观察到SWR（尖波/波纹复合体）。在人类的颅内记录中也有类似的结果。高频波(人类为70-110 Hz，啮齿动物为150-200 Hz)与高幅波(即尖锐波)特征一致。海马位置细胞重激活模式主要与睡眠和清醒时的SWR同时观察到。此外，睡眠中干扰SWR会对记忆产生负面影响，而延长它们有利于记忆。事实上，与海马重激活相比，SWR在记忆巩固中的因果作用得到了更多的支持。
SWR可能与其他生理事件一起促进记忆巩固。啮齿动物的SWR主要发生在丘脑纺锤体的时间框架内。SWR被认为与海马的输出相一致，最终可以到达不同的皮质。人类海马记录中的SWR先于邻近皮层的活动。值得注意的是，学习之后的睡眠加强了海马中的SWR和皮质波的活动耦合。将清醒时SWR与记忆联系起来的其他证据，包括自由回忆和线索回忆测试中的时间和预期的回忆。
SWR和同步的皮质波状活动可以反映上述海马-皮质的连接。睡眠纺锤体可以在这一机制中起到同步作用。然而， Axmacher等人报告说，记忆表现与人的嗅皮层的波纹有关，而与海马无关。清醒和睡眠期间的记忆处理到底有什么不同？SWR之间的差异可能会提供线索。在啮齿动物中，清醒SWR与高保真的重激活相吻合，并保持在局部，而睡眠SWR与较嘈杂的重激活相吻合，与广泛的皮质SOs相协调。因此，高保真的重激活可以在清醒期间支持记忆引导的规划，而噪音较大的分布式重激活可以在睡眠期间支持泛化。
海马SWR似乎是由SOs（皮层慢振荡）和来自皮质的纺锤体诱发的。此外，脑区间的重激活倾向于在不同时期发生，使得重激活和SWR都可以通过SO定时同步。
3.2 慢振荡
在头皮脑电图或局部场电位中观察到的SOs(≤1 Hz)反映了大脑皮层大片区域协调的神经活动，通常用于协调局部高频活动。在SO低谷，锥体神经元和中间神经元沉默，而在SO高峰期，神经元爆发式活动占主导地位。睡眠中的SOs并不是同时发生在整个大脑皮层中的；它们通常首先出现在前部，然后向后移动。SO传播的颅内记录记录了不同的路径，例如从新皮质到海马旁回，再到内嗅皮层到海马。还有许多其他SOs发生在局部。因此，不同类型的信息处理可以对应于不同类型的SO模式，特别是与皮质起源和轨迹相关的模式。
SOs是SWS(慢波睡眠)的标志。低频EEG功率和SWS持续时间与睡眠时记忆的改善有关，主要是陈述性的记忆，更直接的是，使用经颅直流电刺激或听觉刺激发现SOs与巩固有关。许多研究显示了SOs增强和睡眠后记忆力改善同步，然而有时记忆力没有改善，SO也增强了。不同结果的一种可能的解释是，测试词语的重测信度较低，不利于在比较真刺激和假刺激的重复测量设计中产生一致的结果。需要改进记忆测量方法或更有力的实验设计来探究差异。
3.3 睡眠纺锤波
睡眠纺锤波为频率11-16 Hz，持续时间在0.5s-3s之间的起伏振荡。纺锤波起源于丘脑，并传播到不同的新皮质部位。尽管解释纺锤体对记忆贡献的模型侧重于它们与SOs的相互作用，但它们在N2中最频繁，此时的SOs比SWS期间少。鉴于午睡后记忆变化与SWS纺锤体活动相关，而与N2纺锤体活动无关，SWS期间的纺锤波对于巩固可能特别重要。
SOs和纺锤波之间的耦合预测了睡眠期间记忆增强的程度。此外，在睡眠期间调节SOs也增加了睡眠纺锤波。SOs和纺锤体之间的相位-振幅耦合经常被观察到。对纺锤体-SO耦合模式的分析必须考虑到：(A)纺锤体在不同个体之间是高度可变的和(B)可能有多个纺锤体亚型。根据纺锤波在大脑中的空间分布、频率和行为相关性来区分纺锤波。历史上关于纺锤体的文献强调了许多其他功能，如感觉处理和智力。在单词对学习中，较高的纺锤体密度与较好的记忆力，视觉空间学习，情景学习和程序性学习有关。
调节纺锤体可以进一步了其在记忆巩固中的作用。使用经颅交流电的电刺激来促进纺锤体活动，也有利于运动记忆的巩固。未来的研究应该结合广泛的记忆测试，通过联合调节(如纺锤体和SOs)来调查交叉频率耦合的功能相关性。
3.4 嵌套振荡与海马-皮层通讯
鉴于陈述性记忆的系统巩固需要跨皮层和海马协调记忆处理，跨区域、跨频率耦合可能是关键。因为丘脑-皮质SOs可以传播到大脑皮层的大部分区域，参与陈述性记忆的多个脑区可以相互作用。从海马可以精确地投射到相关的皮层回路，因为纺锤波和波纹之间的协调可以允许SWR在这些特定的回路中进行重激活。
最初的皮层活动与不完整的记忆轨迹相对应，决定了哪些记忆将被重新激活。例如，第一步可能是最近的一段或多段经历可能会被重新激活。其次，这些信息将通过从皮层到海马的相同解剖路径投射到在最初的体验中被激活的海马网络。然后，第三步基于伴随着SWR的海马重激活，更广泛的皮质激活。通过这种方式，海马网络和大脑皮层网络之间的相互作用可以增强大脑皮层的连接，从而巩固完整的陈述性记忆痕迹。
3.5 重新激活和巩固之间存在因果联系
当一个人在正常的记忆过程中重新激活记忆时，很难将重新激活的神经信号从新的学习中分离出来。例如，在回忆过程中使用神经成像观察到的海马激活，可能表明海马能够重新激活，或者海马在促进学习回忆事件中的新经验，这两种类型的处理很可能同时进行。同样，我们也不能轻易地将习得和提取分开：如果在习得过程中在海马区观察到某种振荡，这可能是因为必须提取旧的语义信息，才能在上下文中理解新信息。可塑性可以在神经回路中发挥作用，尽管关于睡眠中可塑性的细胞机制一直存在争议。
如何在人类身上研究重激活的机制，以及重激活在巩固中的作用？本文提倡使用感官刺激的方法。尽管睡眠中的大脑抑制了睡眠期间的感觉输入，但一些感觉处理仍然存在，可能是为了监控周围环境。我们可以通过两种不同的方式来利用这种待机模式。首先，可以使用刺激来调节大脑生理，就像训练SOs和纺锤波一样。其次，可以使用与学习相关的刺激来系统地操纵记忆处理。
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