睡眠對大腦來說遠不是一個靜止的時間：當大鼠(和人類)睡著時，海馬體中的神經元會迅速放電。當一隻大鼠從一個地方反複移動到另一個地方後，同樣的神經元在大鼠睡覺時“重放”這個放電，即它們以相同的，但更快的模式放電。以前，人們認為重放模式隻與大鼠在清醒時重複進行的行程相對應。在Neuron雜誌上，奧地利科學技術研究所(IST)的Federico Stella博士後和Jozsef Csicsvari教授發表了一篇文章，指出當大鼠自由行動時，海馬會在睡眠中重放這次行動，但它以一種隨機的方式重放，類似於著名的布朗運動，即粒子的隨機移動。

當我們(或進行實驗的大鼠)處於某一位置時，海馬中的定位細胞即為激發細胞。為了形成一個記憶，能夠回憶起它並做出決定，它們需要在睡眠中重放放電模式。Csicsvari解釋說，在數據中很容易看到重放，而且重放的速度很快，“當大鼠睡著的時候，海馬是無聲的。但突然間，大量的定位細胞放電，接著海馬又安靜下來。這種放電是非常迅速的。在清醒時這種放電需要一秒鍾而在動物睡著時大約隻需10毫秒。

開放環境取代迷宮

以前的研究集中在大鼠按一定順序訪問迷宮中的位置後的回放。他們發現，定位細胞放電的順序與大鼠的運動相對應，並且在睡眠中也觀察到了這種重放模式。在這項新的研究中，Csicsvari和Stella研究了當大鼠在開闊野外環境中移動時會發生什麼。研究人員讓這些動物在環境中四處奔跑，同時隨機丟入食物獎勵，同時記錄多達400個定位細胞如何放電。然後他們記錄了大鼠睡覺時同一個定位細胞是如何放電的。

Csicsvari說，他們的發現出乎意料。“在大鼠已經探索過的地方神經元會放電，但由放電表達的位置順序遵循隨機的軌跡。令人驚訝的是，這些隨機軌跡類似於布朗運動，即粒子移動、碰撞和改變方向時的隨機運動。”一個精確的統計定義了一個隨機過程是否遵循布朗運動。“當我們進行統計時，我們發現回放模式遵循布朗運動。但這與動物的實際運動並不一致——大鼠並沒有隨意奔跑。相反，就像一個簡單的物理狀況一樣，海馬體的複雜回路產生了一種自身決定的模式。”

測量技術進展

Stella說，這一新發現之所以能實現，是因為神經元記錄技術的迅速發展。“五年前，人們認為，當一隻老鼠隨機地四處亂跑時，大腦中隻有一個地方發生重播。現在我們可以同時記錄數百個定位細胞，那麼我們就可以區分彼此靠近的細胞放電-以前被誤認為是同一區域的放電。”

重放是經驗的抽象化

Csicsvari解釋說，隨機重放能讓研究人員深入了解海馬體的回路動力學。“在像我們這樣的實驗環境中，動物不會通過隱藏的食物獎勵等方式了解環境，海馬體會自行產生放電軌跡。我們的研究表明，大腦回路本身有一個複雜的動態過程，它影響著神經元的放電方式。經驗可能會對可能重放的內容起到約束作用。”

Stella把隨機重放看作是大鼠經驗的抽象化。“這種抽象可以用於認知目的，例如在相同的環境中規劃新的行為，或者用於概括不同的經驗。”在未來，Stella計劃將研究重放在記憶後處理中的作用，以及大鼠如何利用重放來計劃行為。“當大鼠有意圖時，隨機性是如何影響的?這就是我現在想知道的。”