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

?本文來(lái)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(jì)劃中的重要內(nèi)容
所有人都需要睡覺(jué),成年人約有三分之一的時(shí)間在睡覺(jué),如果你越年輕,你會(huì)睡得越多,但這并不意味著兒童青少年會(huì)因?yàn)樵诖采匣ㄙM(fèi)太多時(shí)間而變得懶惰。事實(shí)上,沒(méi)有足夠的睡眠通常會(huì)使人感到疲勞,效率低下,無(wú)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(gè)“重啟”的機(jī)會(huì)。在本文中,我們將討論為什么睡眠對(duì)于長(zhǎng)期記憶的形成特別重要。在兒童和青少年時(shí)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(zhǎng),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(jì)劃中的重要內(nèi)容。


當(dāng)你離考試的日子越來(lái)越近時(shí),有時(shí)會(huì)覺(jué)得在這么短的時(shí)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(fèi)時(shí)間在床上呢?你可能會(huì)熬夜補(bǔ)習(xí),但是睡眠對(duì)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(huì),不僅對(duì)大腦的一般發(fā)育很重要,也對(duì)記憶的形成也有相當(dāng)重要的作用??茖W(xué)家已經(jīng)證明,大腦在睡眠時(shí)的活動(dòng)有助于將新知識(shí)儲(chǔ)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(gè)好覺(jué)會(huì)使第二天的學(xué)習(xí)效率更高。雖然這在整個(gè)生命進(jìn)程中都很重要,但在童年和青少年時(shí)期,重塑大腦的能力和學(xué)習(xí)能力是格外重要的,這段時(shí)期的睡眠也是如此。



圖1
我們?nèi)绾螠y(cè)量睡眠
(左)用小型傳感器測(cè)量神經(jīng)元、眼球和肌肉的活動(dòng),顯示為電腦屏幕上彎曲的線條(右)。在淺的非快速眼動(dòng)睡眠(粉色區(qū)域)中,可以檢測(cè)到大腦活動(dòng)中的睡眠紡錘波;在非快速眼動(dòng)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(dòng)的曲線變慢變大(慢波);在快速眼動(dòng)睡眠期間(藍(lán)色區(qū)域),肌肉活動(dòng)是最低的,大腦活動(dòng)變得更快,眼球開(kāi)始出現(xiàn)快速的鋸齒狀運(yùn)動(dòng)。
睡眠中的大腦并不總是在做同樣的事情。一個(gè)良好的睡眠周期貫穿不同的睡眠階段,由肌肉和眼球的運(yùn)動(dòng)以及大腦中微小神經(jīng)細(xì)胞(稱為神經(jīng)元)的活動(dòng)決定。科學(xué)家們可以通過(guò)在人睡覺(jué)時(shí)在眼睛旁邊、下巴和頭部放置微型傳感器來(lái)測(cè)量這種活動(dòng)(見(jiàn)圖1),有時(shí)這些活動(dòng)非常迅速和混亂,就像大腦在清醒和忙碌時(shí)一樣——這就是快速眼動(dòng)睡眠(Rapid Eye Movement Sleep,REM)階段的情況,在這個(gè)階段眼球運(yùn)動(dòng)非???,肌肉極度放松,會(huì)出現(xiàn)非常生動(dòng)的夢(mèng)境。其余的睡眠階段統(tǒng)稱為非快速眼動(dòng)睡眠,在較淺的非快速眼動(dòng)睡眠中,大腦活動(dòng)的短脈沖被稱為睡眠紡錘波Sleep Spindles)(見(jiàn)圖1)。在深度的非快速眼動(dòng)睡眠中,大腦中的神經(jīng)元表現(xiàn)出慢節(jié)奏的活動(dòng),類似于海洋中的巨浪(見(jiàn)圖1),被稱為慢波,因此深度非快速眼動(dòng)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(shí)期的睡眠時(shí)間比醒著時(shí)多,隨著年齡的增長(zhǎng),我們開(kāi)始睡得越來(lái)越少。在發(fā)育過(guò)程中,不僅睡眠時(shí)間會(huì)發(fā)生變化,更重要的是不同睡眠階段之間的平衡也會(huì)發(fā)生變化。一般來(lái)說(shuō),隨著年齡的增長(zhǎng),人的慢波睡眠越來(lái)越少,而淺的非快速眼動(dòng)睡眠的比例卻在增加(圖2)??茖W(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(jué)上的時(shí)間就越少,快速眼動(dòng)睡眠和非快速眼動(dòng)睡眠之間的平衡在兒童時(shí)期發(fā)生了變化:隨著兒童年齡的增長(zhǎng),處于深度非快速眼動(dòng)睡眠也就是所謂的慢波睡眠的時(shí)間越來(lái)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(lái)了;不需要的連接被刪除了;經(jīng)過(guò)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(gè)特定部分被優(yōu)化時(shí),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(dòng)。

瑞士科學(xué)家記錄了兒童和年輕人的睡眠,并測(cè)量了他們?cè)谀承┤蝿?wù)上的表現(xiàn)[2]。他們發(fā)現(xiàn),在時(shí)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(huì)減弱。例如,在童年后期,在孩子們非常擅長(zhǎng)完成復(fù)雜的動(dòng)作比如騎自行車時(shí),也是大腦負(fù)責(zé)動(dòng)作的區(qū)域中的慢波最強(qiáng)的時(shí)期。當(dāng)參與者進(jìn)入大腦掃描儀時(shí),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(huì)隨著大腦的成熟而減弱,與之不同的是,作為非快速眼動(dòng)睡眠特征的睡眠紡錘波,在兒童和青少年時(shí)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(shí)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(xiàng)研究中,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在7年的時(shí)間中,紡錘波數(shù)量增長(zhǎng)最多的孩子在14-18歲時(shí)的一般智力測(cè)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(gè)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(gè)重要作用
長(zhǎng)期記憶的形成

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

許多實(shí)驗(yàn)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(shí)后對(duì)這些孩子的記憶進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果發(fā)現(xiàn),那些在晚上學(xué)習(xí)然后睡覺(jué)的孩子比那些整天沒(méi)睡覺(jué)的孩子記住的單詞更多。事實(shí)上,他們能記住的單詞比睡覺(jué)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(gè)故事嗎,兔子在和烏龜?shù)馁惻苤信艿煤芸?,它?duì)自己的情況很滿意,對(duì)勝利充滿信心,于是在中途打了個(gè)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(gè)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(guò)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(lái)。這種較慢的學(xué)習(xí)系統(tǒng)在長(zhǎng)期內(nèi)會(huì)勝出,幫助我們?cè)谖磥?lái)記住新信息,就像故事里說(shuō)的那樣,當(dāng)給大腦一個(gè)睡覺(jué)的機(jī)會(huì)時(shí),“烏龜”記憶系統(tǒng)就會(huì)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(dòng)作迅速的兔子;而大腦的外層(新皮層)就像動(dòng)作緩慢的烏龜(見(jiàn)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(gè)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(zhǎng)期記憶,并將它們與已經(jīng)儲(chǔ)存在新大腦皮層中的舊知識(shí)聯(lián)系起來(lái)[5]。比利時(shí)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn),這種增強(qiáng)記憶的過(guò)程甚至可以在午睡時(shí)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(gè)物體能看穿門,另一個(gè)物體能阻止雨),然后測(cè)試他們對(duì)這些關(guān)聯(lián)的記憶,同時(shí)測(cè)量大腦活動(dòng)——在學(xué)習(xí)之后,海馬體立即對(duì)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(cè)試中,只有睡過(guò)覺(jué)的孩子在回憶含義時(shí),大腦皮層的活動(dòng)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(chǔ)
為了確保這些新記憶安全地儲(chǔ)存在大腦中,海馬體在睡眠時(shí)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(guò)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(gè)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(shí)相聯(lián)系。

現(xiàn)在你知道了,睡覺(jué)絕對(duì)不是浪費(fèi)時(shí)間!相反,睡眠記憶變得盡可能的美好和持久。睡眠對(duì)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(shí)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)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(jì)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(yǔ)表

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

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

睡眠紡錘波(Sleep Spindles):大腦活動(dòng)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(dòng)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(dòng)(慢波),研究人員認(rèn)為對(duì)持久記憶的儲(chǔ)存很重要。

新大腦皮層(Neocortex):是用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)知識(shí)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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