あなたの脳は寝ている間に本当に学習します！初めての人間実験証拠：再生速度が1～4倍に

寝る前に本を数ページ読んだり、数語読んだりするだけで、目覚めたときに深い感銘を受けていることに気づきます。

あなたも同じような経験をしたことがあるでしょうか？

科学者たちはずっとこの現象を研究したいと望んできたが、技術的な条件によって制限され、夜間の人間の脳内の弱い神経活動信号を収集することは困難であることがわかった。

近年、脳コンピューターインターフェースデータの無線伝送技術が発達し、ついにその機会が到来しました。

研究者らは、ボランティアを対象とした実験で、人間の脳の運動皮質が睡眠中に日中の活動を「再現」しているという直接的な証拠を初めて得た。

論文の筆頭著者であるハーバード大学医学部のダニエル・ルービン氏は次のように述べた。

私たちが発見したのはとても驚くべきことでした。彼（ボランティア）は基本的に、寝ている間ずっと自動的に練習していたのです。

関連する論文は、神経科学の分野でよく知られているジャーナルである「The Journal of Neuroscience」に掲載されています。

睡眠中は脳の学習速度が速まる

コードネームT11と呼ばれるこのボランティアは、残念ながら脊髄損傷により四肢麻痺になってしまいました。

彼には、ブレインゲート・プロジェクト・チームによる侵襲性脳コンピューター・インターフェース電極が埋め込まれた。これは、昨年のマインド・タイピング研究に参加したT5氏が使用したのと同じ装置である。

この実験では、T11 は日中に簡単なビデオゲームをプレイするように求められました。

まず、色のついた部分が点灯する順序を観察し、その後、記憶に基づいてカーソルを操作して順序通りに動かします。

これは、脳とコンピューターのインターフェース研究における古典的なタスクです。このタスクにおける神経活動のパターンは比較的簡単に捉えて特定することができ、関連する研究でこれまでに何度も取り上げられてきました。

T11 は 10 日間連続で、午後 13:45 から 16:00 までトレーニングし、夜 23:00 から翌朝 9:00 まで睡眠をとる必要があります。

訓練中、脳コンピューターインターフェースは脳の運動皮質の神経活動をリアルタイムで解読し記録することができる。

T11は実験の具体的な内容については知らされておらず、いつも通りの回復訓練を行い、夜はいつも通り就寝しただけだった。

しかし、この10日間、研究者たちは、彼が眠っている間に脳コンピューターインターフェースによって記録されたデータと、日中に記録されたデータを比較した。

カルマンフィルタリングなどの方法を使用してデータを処理した結果、夜間のニューロンは予想よりも高い頻度で日中のトレーニング内容を再生することが判明しました。

T11 の睡眠中のニューロンの発火パターンは、日中のトレーニング中のものと非常に一致しており、場合によっては完全に同一でした。

△データと可視化は午前0時50分から

オフライン再生と呼ばれるこの現象は、これまでにマウスと人間で日中の休息中に実証されています。

人間の睡眠中にリプレイが観察されたのはこれが初めてです。

また、データによれば、夜間の再生速度は日中の1～4倍速いことがわかっています。

つまり、睡眠中、脳は日中に学んだことを自動的に学習するだけでなく、学習を加速します。

そしてあなたはこのことに全く気づいていません。

課題が困難であればあるほど、脳は活発になる

これまでの一連の研究により、眠っているマウスの海馬と大脳新皮質の神経活動を利用して迷路歩行の練習ができることが実証されている。

そして、人間が日中に休んでいるときにも同様のオフライン再生現象が起こります。

これらの発見と実験結果を組み合わせて、研究者たちは次のような見解を提唱した。

再生学習は、意味、ナビゲーション、運動制御システムを含む複数の脳領域にわたる保持メカニズムである可能性があります。これは、記憶の強化における睡眠の役割をさらに裏付けています。

さらに、この研究ではいくつかの重要な過去の研究結果も確認されました。

まず、リプレイは主に生物学的徐波睡眠（一般的には非レム睡眠段階、または深い睡眠として知られている）中に発生します。

第二に、リプレイ活動は海馬によって誘発される鋭い波紋と高い相関関係がありました。

鋭い波紋は、高周波振動を生み出す同期した神経活動の急速なバーストです。

△リプレイと鋭い波紋の関係

第三に、日中に練習した課題が難しければ難しいほど、睡眠中の再生活動は激しくなります。

今後、BrainGate Alliance の研究チームは、課題の難易度を体系的に変更し、より詳細な研究を行う予定です。

ブレインゲート アライアンスは、臨床医、神経科学者、およびブラウン大学、ハーバード大学医学部、マサチューセッツ総合病院などの機関によって共同で立ち上げられました。その目標は、脳コンピューター インターフェース技術を使用して、神経疾患や神経損傷により手足の運動機能を失った患者を支援することです。

もう一つ

脳は深い睡眠中に記憶を統合しますが、夢を見ることが多い段階である急速眼球運動（REM）中に脳は何をしているのか？

以前サイエンス誌に掲載された論文でこのことが説明されています。

急速眼球運動中、メラニン凝集ホルモンの分泌を司る海馬のMCHニューロンは、脳が重要でない情報を積極的に忘れるのを助けます。

夢は主にMCHニューロンが活発な急速眼球運動期に起こるため、目覚めた後に夢の内容が忘れられてしまう理由の一つです。

では、目覚めたときに前日に見たものをすべて覚えていたという経験をしたことはありますか?

論文アドレス: https://www.jneurosci.org/content/42/25/5007

参考リンク:

[1] https://neurosciencenews.com/motor-replay-sleep-20906/

[2] https://www.science.org/doi/10.1126/science.aba0672

[3] https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rstb.2019.0655

[4] https://www.science.org/doi/10.1126/science.aax9238