为何新记忆不会覆盖旧记忆：睡眠科学的启示

引言

记忆是人类体验的基础，塑造我们的身份、指导我们的决策，并使我们能够从过去学习。然而，科学家们长期以来一直在探讨一个基本问题：大脑是如何在获取新记忆的同时不覆盖或扭曲先前存储的记忆的？这一挑战被称为“灾难性遗忘”，指的是新信息的引入可能导致旧记忆丢失或损坏的现象。最近的一项开创性研究提供了新的见解，揭示了大脑通过不同睡眠阶段的独特作用来保护记忆的策略。

灾难性遗忘：记忆难题

在神经科学和人工智能领域，灾难性遗忘都是一个重大障碍。当新的经历和记忆被编码时，它们可能会干扰或覆盖过去的记忆的神经表征。这种干扰会对生物体持续学习和适应环境的能力造成损害。了解生物大脑如何避免这一命运不仅对神经科学有重要意义，也对开发更强大的人工学习系统具有指导意义。

科学突破：睡眠阶段中的记忆处理

2025年1月发表在《自然》杂志上的一项研究中，由神经科学家领导的研究团队训练了转基因小鼠进行一项记忆任务，并研究了它们在睡眠期间大脑如何处理记忆。此前的研究表明，在睡眠期间，尤其是在深度或非快速眼动（NREM）阶段，大脑会“重播”近期的经历，通过激活与这些经历相关的相同神经元，以类似的顺序进行。这种重播被认为可以巩固记忆，将它们从短期存储转移到长期存储。

基于这一点，研究小组利用小鼠的一个独特特征：它们在某些睡眠阶段眼睛部分睁开。通过连续监测一只眼睛的瞳孔大小，他们识别出深度睡眠期间的周期性变化——每分钟左右在收缩（小）和放大（大）的瞳孔状态之间切换。有趣的是，神经活动记录显示，近期经历的重播主要发生在瞳孔较小的阶段。

为了测试这些不同的瞳孔大小阶段是否对应不同的记忆处理操作，科学家们采用了光遗传学技术——一种使用光精确控制转基因神经元的尖端技术。他们训练小鼠在一个平台上找到隐藏的甜食，然后在训练后立即选择性地减少在瞳孔较小或较大的阶段参与重播的神经元的活动。

发现：瞳孔较小阶段巩固新记忆

当在瞳孔较小的阶段抑制神经元重播时，小鼠醒来后完全忘记了奖励的位置，这表明这一阶段对于整合新获得的记忆至关重要。康奈尔大学的共同作者唐文博博士将其描述为“擦除了它们的记忆”。

相反，在瞳孔较大的阶段抑制神经元活动并没有影响对新学到的奖励位置的记忆。小鼠直接导航到甜食，这表明这一睡眠阶段对于巩固新记忆不是必需的。

瞳孔较大阶段保留旧记忆

进一步的实验表明，瞳孔较大的阶段处理的是几天前形成的老记忆，而不是当天睡眠时获得的记忆。康奈尔大学的物理学家阿扎拉·奥利瓦（Azahara Oliva）和另一位共同作者总结道：“在瞳孔较大的子状态下，大脑保留早期记忆，而在瞳孔较小的子状态下，它整合新记忆。”

这种双阶段系统提供了一个可能的生物学机制，防止新记忆整合过程中破坏旧的存储知识——这是解决灾难性遗忘的一种优雅方案。

专家见解和进化意义

纽约大学著名系统神经科学家盖奥尔吉·布兹萨基（György Buzsáki）虽然没有参与这项研究，但曾指导过研究团队成员，他强烈认为这一机制不仅存在于小鼠中，也可能存在于人类中。他强调记忆是一个古老的进化系统，暗示将记忆处理分隔在睡眠阶段是一种保守的策略。

加州大学圣地亚哥分校的马克斯姆·巴什诺夫（Maksim Bazhenov）指出，这项研究的重要意义在于证明了大脑在时间上分离新旧记忆的处理，以避免干扰和混淆。

对人工智能的影响

灾难性遗忘不仅困扰着生物大脑，也困扰着支撑许多现代人工智能系统的神经网络。这些算法在学习新任务时难以不丢失先前训练的信息。了解大脑如何巧妙地避开这个问题可以启发创新的人工智能算法，使其在整合新数据的同时保持已学知识。

案例分析：莎拉的学习挑战

考虑一下莎拉，一位努力记住大量新信息而不忘记旧材料的医学生。这项研究的见解强调了睡眠在保留她先前知识的同时同化新概念的重要性。鼓励莎拉保持一致的高质量睡眠可以支持她的大脑自然的双阶段记忆处理，最小化旧记忆和新记忆之间的干扰。

结论

这项研究阐明了一个基本的记忆机制：将新旧记忆处理分隔到不同的睡眠阶段。通过展示小鼠在瞳孔较小的睡眠阶段处理近期获得的记忆，而在瞳孔较大的阶段处理旧记忆，神经科学家揭示了大脑如何自然地避免灾难性遗忘。这一发现增强了我们对记忆巩固和睡眠重要作用的理解，并为解决记忆障碍和改进人工智能学习算法铺平了道路。

参考文献

Watson T. Why don’t new memories overwrite old ones? Sleep science holds clues. Nature. 2025 Jan;637(8046):524-525. doi:10.1038/d41586-024-04232-1. PMID: 39762380.