據說，人的一生有三分之一都在睡眠中度過，而睡眠中各種光怪陸離的“夢境”時常帶著神秘。千百年來，無數人都試圖解析“夢境”背後的意義，更有甚者相信透過夢境可以預測未來，從我國“周公解夢”的流傳程度便可見一斑。
而在現代生物科學研究中，腦科學研究是最為神秘的一個研究領域，目前世界各國都相繼推出了自己的腦科學計劃，都試圖在破解人類大腦之謎中走在前列。那麼，面對大腦每天產生的各種“夢境”，如何用現代科學去解析“夢境”的發生發展和功能是腦科學研究的熱點問題。
休息時“覆盤”是我們現在經常聽到的一種學習方法，透過回憶總結過去經歷的得失從而進行學習提高。這個過程反映的是我們的大腦在沒有接收持續的新刺激時，可能會透過重新啟用以往的記憶神經元來進行學習。這個過程經常發生在我們走神、發呆、白日夢或者睡眠期間。現代腦科學研究已經在海馬體、杏仁核、前額皮質、視覺皮層和大腦其他地方都觀察到了這些腦部行為背後神的經元變化。
然而，以往關於這種大腦在休息中“覆盤”機制的研究僅僅涉及到幾十到幾百個神經元，而重新啟用與之前刺激之間的異同點仍然是未知的。為了解決上述問題，2023年，國際頂級期刊《Nature》線上發表了哈佛醫學院Andermann教授團隊的最新研究成果，他們透過記錄大腦視覺皮層中的6900個神經元在幾天內的活動，探究了關於大腦視覺皮層的刺激和重新啟用的機制，簡單來說就是探究了我們在
不經意間走神時的腦神經變化。
圖2：安靜醒來時外側視覺皮層的分散式刺激再啟用
首先，研究人員探究了實驗鼠腦部皮層神經元的啟用分佈模式。8只小鼠被固定並每天給與 64 種視覺刺激中隨機兩種（S1和S2），並透過病毒注射鈣指示劑對神經元進行鈣成像，結合觀察結果和統計分析表明橫向視覺皮層刺激再啟用參與了這個過程，並且沒有大腦或眼球運動的增加，而這些有助於刺激重新啟用的神經元均勻分佈在四個橫向視覺皮層區域。
在刺激呈現和刺激重新啟用期間，每個區域和深度的活動水平相似。並且，研究人員發現數千個神經元的成像提高了捕獲刺激重新啟用的靈敏度。而當隨機使用10%的神經元進行實驗時，超過三分之二的已識別的重新啟用被遺漏，並且假陽性重新啟用的比率也隨之增加。
圖3：呈現 S1 或 S2 後 S1 和 S2 重新啟用的單會話光柵圖
此外，研究人員還觀察到小鼠整個訓練過程中刺激重新啟用率的不斷下降，這表明神經元的重新啟用率可能與最近接觸刺激的頻率成反比。
並且，研究人員發現刺激新穎性與刺激周圍喚醒在調節重新啟用率中發揮重要作用。進一步地，研究人員探究了上述變化是否需要參與重新啟用的相同皮層神經元在先前的刺激呈現期間處於活動狀態。
透過光遺傳學方法抑制小鼠外側視覺皮層成像區域的興奮性神經元的刺激誘發活動，研究人員發現這種抑制極大降低了隨後的刺激再啟用率和感覺偏差。因此，感覺體驗期間的區域性皮層活動對於隨後出現的偏向重新啟用是必要的。
圖4：刺激反應模式的漸進分離與重新啟用率相關
之前的研究表明，這種神經元的的重新啟用模式可能在記憶鞏固和學習中發揮作用。儘管已知視覺皮層反應模式會隨著重複呈現而逐漸變化，但重新啟用與此過程的關係仍不清楚。透過使用相鄰 S1 和 S2 單試驗響應模式之間的 Pearson 相關性分析，ROICaT成像等方法研究人員發現在整個試驗中，外側視覺皮層刺激、表徵的演變與刺激特異性重新啟用的速率密切相關，這表明重新啟用與隨後的反應模式正交化之間可能存在關係。
圖5：重新啟用預測代表性漂移
最後，研究人員想要探究一下這種神經元的重新啟用是否能夠預測未來的刺激發生，研究人員將每個模式投影到會話中早期和晚期試驗之間刺激誘發的群體活動變化的軸上。
結果發現從早期試驗到晚期試驗，刺激反應模式和刺激重新啟用模式會出現相對應的演變，並且這種預測的刺激重新啟用模式在整個試驗中十分穩定。此外，研究人員還發現這種預測不僅可以預測日內表徵漂移，還可以預測全天漂移。而對早期刺激誘發反應和早期重新啟用的活動模式之間的對比分析表明這種神經元重新啟用的速率和模式對於預測刺激誘發反應模式的未來內容和變化率十分重要。此外，研究人員透過一個簡單的啟發式模型證明了這種刺激的重新啟用足以預測未來刺激誘發的反應模式漂移的性質和速率。
上文佶屈聱牙講了半天，可能很多讀者看的雲裡霧裡。下面我們用通俗易懂的語言再總結下全文：
這篇頂級研究讓我們再次看到了大腦的神奇之處，簡單來說，我們過往的經歷所產生的刺激會留在我們大腦中，當我們在發呆，小憩或者白日夢時，這些刺激會重新在我們大腦中出現進而塑造大腦的認知、學習和記憶，並且這些新產生的大腦變化是可以被預測的，某種程度上可以達到：預知夢的效果！而這背後的生物學機制，正是本研究的標題：皮質重新啟用預測未來的感覺反應。
參考文獻：
Nguyen, N.D., Lutas, A., Amsalem, O. et al. Cortical reactivations predict future sensory responses. Nature (2023).
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