早在2006年,国务院办公厅主办的中国政府网,就发表了一篇题目为《科普:睡眠时刺激大脑可能提高记忆力》的文章,介绍了德国科学家的一项研究,他们发现人们睡眠时用电流刺激大脑,增强脑波,可能有助于提高记忆力。如今16年过去了,进展如何?
随着科学技术的发展,这项研究也取得了极大进展,特别是随着我国载人航天技术的大爆发,目前我国在这方面,已经取得了长足的进步!
周仁来教授(北京师范大学应用实验心理北京市重点实验室主任)在《经颅电刺激技术在睡眠调节中的作用和应用展望》一文中,为我们详细介绍了我国航天科技在这方面的进展。
周仁来教授
周仁来教授指出:越来越多的研究表明,睡眠对记忆巩固有良好的帮助作用。
在航天飞行中,自然的24小时光/暗周期不复存在,多数低轨道载人飞行任务(如航天站)的光/暗周期约为90分钟,地球1昼夜时间,飞船已绕地球飞行16圈,经历了16个“昼夜”。据统计,几乎所有航天员,主观报告都显示在执行航天任务时存在睡眠严重不足的现象。
当前,在tDCS干预睡眠的研究领域取得了不少进展,尤其是最近的研究开始,结合深度学习、脑机结合,以及神经反馈等技术,干预手段逐渐向智能化迈进。同时,考虑到刺激的效果和大脑的实时状态有密切的联系,实时监测大脑EGG信号,可以更好地实现调节效果。
tDCS技术干预睡眠,对增强记忆有效吗?
以下内容,来自吕贝克大学和诺斯克医疗器械公司的三位专家:丽莎·马歇尔教授(Lisa Marshall)、马蒂亚斯·莫勒教授(Matthias Mölle)、哈拉赫尔·加多蒂尔教授(Halla Helgadóttir),也是2006年国家政府网《科普:睡眠时刺激大脑可能提高记忆力》采用的资料。
通过下面的试验,有令人信服的证据,说明睡眠有助于新记忆的长期巩固。
【试验对象】
13名学生,来自吕贝克大学。
【试验目的】
在睡眠期间通过tDCS技术进行干预,之后进行记忆能力从测试,来验证干预效果。
【试验方法】
1、将参与试验的同学,分为实验组和对照组;
2、实验组同学在睡眠期间(刚入睡时,处于慢波睡眠阶段),接受tDCS技术干预,对照组,仅佩戴设备,不进行干预;
3、通过实时监测大脑EGG信号,记录睡眠状态中的数据;
4、通过单词记忆测试(睡前,学习46个单词,醒后30分钟进行测试,记录正确率和用时),进行效果对比。
【试验数据】
如上图所示,红色区域为利用tDCS技术干预阶段。
试验中,实验组、对照组睡眠中各阶段数据变化情况。
【试验结果】
如上图所示:
单词回忆成绩:实验组同学成绩(黑色柱子)相比对照组同学(白色柱子)提高近一倍;
单词回忆用时:实验组同学成绩,相比对照组同学,提高约20%。
【试验结论】
睡眠时,通过tDCS技术,对大脑进行适当的干预,确实能够增进和巩固记忆力。(该论文发表于《Nature》上,说明试验的权威性、以及试验结论,得到了科学界的广泛认同)
为什么tDCS技术干预睡眠,能提升记忆力?
其实,早在1924年,两位美国科学家发现睡眠能有效地减缓遗忘;经过多年的研究,科学家了其中的生理原因:
清醒时:信息被存储在海马体内,此时形成的是短期记忆;
睡眠阶段:在慢波睡眠中,存储在海马体的内短期记忆,会逐步向新皮层转移,形成长期记忆。
2011年,该团队又进行了一次试验,也验证了上述理论。
本次研究,该团队对试验方案进行了调整。相交5年前的试验,这次不仅人数增加到41名,同时对试验方案进行了调整。
如图所示,5年前的试验,仅在刚入睡时通过tDCS进行干预;本次试验分为2组,A组重复之前的试验,即在刚入睡时,处于慢波睡眠阶段时,进行tDCS技术干预;B组则在睡眠进入深睡眠(快速眼动睡眠)阶段,进行tDCS技术干预。
如上图所示,这次试验发现:
1、在慢波睡眠阶段,使用tDCS技术干预,改善了新皮层的慢波结构(slow oscillation),增强短期记忆→长期记忆的转化;
如上图所示,注意实验组(黑色柱字)和对照组(白色柱字)在慢震荡0~1赫兹(slow oscillation)、8-12Hz(Slow frontal spindle activity)、12~15Hz(Fast parietal spindle activity)的对比。
2、不正确的tDCS技术干预,会削弱慢波结构(slow oscillation),抑制短期记忆→长期记忆转化。
如上图所示,不正确的干预,影响了慢波结构(slow oscillation)实验组数据(黑色柱子)反而不如对照组(白色柱子),直到撤销了不正确的干预后(红圈处),情况才恢复正常。
近年来,国外各大公司都在研究,将此项技术用于改善睡眠、增强记忆力。如波音和通用公司共同持股的 HRL Laboratories、美国加州的Thync公司,都已研发出了可穿戴tDCS设备、投入市场,国内也应尽快在此领域有所突破。
参考文献
《经颅电刺激技术在睡眠调节中的作用和应用展望》
《Safety of Noninvasive Brain Stimulation in Children and Adolescents》
《Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory》
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