捕捉婴儿睡觉时学习的过程，科学家有了新发现

　　作者 Carolyn Wilke
　　翻译 赵金瑜
　　校译 D
　　神经科学家早就知道，睡觉有助于巩固成年人的记忆。在婴儿和幼儿中，小睡可能起着同样重要的作用。
　　一个在摇篮里小睡的新生儿，戴着一顶装有100多个软电极的弹性帽子。一声低沉的哔哔声响起，她眯起了眼睛。在孩子附近，科学家观察着计算机屏幕上移动的锯齿状线条，记录着婴儿大脑的电活动。科学家想要知道婴儿的大脑里面发生了什么——这种微小的眯眼动作表明：婴儿睡觉时一直在学习。
　　纽约哥伦比亚大学欧文医学中心的发育神经学家威廉·费弗指出，新生儿的工作是学习并适应环境中的一切。然而新生儿在大约70%的时间里都在睡觉。因此，费弗和现就职于波士顿大学的发展心理学家阿曼达·塔鲁洛决定，尝试捕捉婴儿睡觉时学习的过程。
　　研究人员发现，仅一两天大的婴儿就可以学习到一个特定音调和随后迎面吹来的一股柔和的空气之间的关联——以至于，婴儿在单独听到这种音调后就会眨眼，这种机制和巴甫洛夫著名的会对铃声流口水的狗类似。
　　睡眠对成年人学习的重要性已通过数十年的研究得到了充分证实。但对于新生儿的睡眠和学习如何相互作用，人们知之甚少，更不用说随着婴儿成长为幼儿和学龄前儿童、这种关系会如何变化了。
　　小睡尤其令人费解。研究表明，小睡对早期学习至关重要，但大多数孩子在3岁至5岁之间会自然地停止小睡 。没有人知道原因，但一个研究团队正在着手回答该问题。他们对小睡和学习之间复杂关系的理解可能最终会帮助家长、幼儿园和决策者做出对孩子健康和学习更好的决定。
　　小睡一下
　　婴儿和幼儿的睡眠看起来与成人的睡眠非常不同，并且随着孩子的发育，睡眠模式也会发生巨大的变化。新生儿每天要睡约16到18个小时。起初，他们全天随机睡觉，但大约6个月后，他们的生物钟与昼夜周期同步。大约12个月大的时候，婴儿大多时候在晚上睡觉，白天小睡几次。但到2岁左右，大多数孩子就会开始每天只睡一次。
　　研究表明，小睡在婴儿学习的许多重要事情中起着重要作用。柏林洪堡大学的神经学家曼努埃拉·弗里德里希说：＂睡眠对最早期的单词学习至关重要。＂为了论证这一点，在2015年的一项研究中，弗里德里希的团队通过向90个9到16个月大的婴儿展示未知物体的图片——例如，看起来像哑铃或万能工匠（益智玩具） 之类的东西。
　　在观看每张图片时，孩子们会听到该物体的名字——一个虚构的单词，比如＂bofel＂或＂zuser＂，同时脑电图会记录下他们大脑的反应。一两个小时后，研究人员再次向婴儿展示这些图像来测试他们的记忆力，这些图像要么与他们之前听过的物体名称配对，要么与一个不同的虚构单词配对。因为婴儿太小，还不能快速说出物体的名字，研究人员检查了脑电图记录，以寻找他们建立了物品和名字之间联系的证据。早前，已有研究发现了脑电图在人们听到意想不到的事情时就会出现的某些特征——比如在特定时间出现的电压波动。在弗里德里希的研究中，脑电图上同样波动的出现表明婴儿听到物体与＂错误的＂单词配对时会感到惊讶，这意味着婴儿早前已经学会了单词与物体的联系。
　　图 大脑中的＂惊讶信号＂：一些针对婴儿和幼儿的研究通过跟踪大脑中的电活动，来了解他们是否记得以前听过的单词。一个名为N400的脑波电位在告诉研究人员，孩子对某个特定的单词（在这里是＂eyeballs＂）感到意外，这表明她已经学会了哪些词应该归为一类。（来源：M. Kutas & K.D. Federmeier在2011年《AR》的发表，有改动。Knowable杂志）
　　脑电图记录表明，在记忆测试之前小睡过的孩子会记住他们之前看到的物体名字配对。而没有小睡的孩子则没有记住。不仅如此，小睡过的婴儿似乎还将他们学到的东西进行了分类：当他们看到与以前见过的东西相似的新物体时，他们的脑电图活动表明，他们在期待着听到一个之前学过的单词。也就是说，弗里德里希总结道：＂当婴儿睡觉时，他们的大脑归纳了以往经验。 ＂
　　在本项研究中，弗里德里希和她的同事还发现，婴儿在看到几个物体后可以将物体分类的能力，与一种被称为睡眠纺锤波的脑电图特征的存在有关，睡眠纺锤波是一种在小睡时出现的快速电活动。更高振幅、电压波动更大的睡眠纺锤波只发生在已经学会了物体分类的孩子身上。
　　这些睡眠纺锤波通常与慢波睡眠同时发生，而后者在脑电图记录中显示的是以一种特定频率缓慢振荡的电活动。这一点体现了婴儿和成人之间的一个有趣的区别。慢波在成人深度睡眠时出现、与记忆巩固有关，白天形成的短期记忆可以通过这个过程转化为更持久的记忆；但儿童更多在小睡时经历慢波。
　　小睡或许可以帮助孩子在学习大量重要信息时巩固记忆。 ＂科学似乎表明，小睡（在早期认知发展中） 具有独特的作用＂，加州大学戴维斯分校的发展心理学家西蒙娜·盖蒂说道，她合作撰写了2020年《发展心理学年评》中关于发育中的大脑记忆的文章。
　　图 小睡促进孩子记忆：2013年的一项研究表明，听完故事后小睡的孩子比不小睡的孩子记得更牢——这种影响一直持续到第二天。（来源：2013《PNAS》L. Kurdziel等人。有改动。Knowable杂志）
　　根据图森亚利桑那大学认知心理学家丽贝卡·戈麦斯的研究，小睡似乎也有助于婴儿理解句子结构。当戈麦斯和他的同事让48名15个月大的孩子接触一种由＂vot wadim jic＂和＂vot kicey jic＂等一系列单词组成的虚构语言时，小睡过的孩子似乎能够更好地掌握语言规律，比如能够发觉一个句子的第一个词总是决定第三个词。研究人员认为这是理解语法的一步。
　　在这项研究中，孩子在家里安静地玩耍时先听到虚构语言的句段，随后，一部分孩子小睡了一会儿，而另一些则保持清醒。几个小时后，家长带着孩子到戈麦斯的实验室，让研究人员对他们重播了之前的句段，并通过测量婴儿看向播放声音的扬声器的时间来计量婴儿的注意力——这种方法常被研究人员用来评估太小不能说话的孩子的注意力多少。
　　小睡过的孩子和没有睡觉的孩子都会注意到他们以前听到过的单词串，这表明他们都还记得那些句子。但是，小睡过的婴儿也会注意到遵循相同规则的新句子，这表明这些孩子对听过的单词串具有更整体的理解。戈麦斯指出，这一发现表明，小睡有助于婴儿用他们所学的知识做出推断、并能教给他们一个可以广泛应用于新情况的模板。
　　根据马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校认知神经学家丽贝卡·斯宾塞的研究，对于年龄稍大的幼儿来说，小睡的好处不仅限于语言方面。 在2020年的一项研究中，斯宾塞和她的研究生桑娜·洛坎德瓦拉模仿了一种常见的学前幼儿活动：讲故事。他们创作了几本讲述不同小故事的书——例如，关于在动物园的一天，或者一次饼干烘焙的冒险。在斯宾塞的睡眠实验室里，一名研究人员负责把这些书读给3到6岁的孩子听，并在阅读过程中把插图指给他们看。为了了解孩子们听完故事后的即时记忆，研究人员要求他们按故事顺序排列书中的图片。然后，一些孩子小睡约两个小时，而另一些则保持清醒、画画或做拼图。
　　研究人员发现，在第二次记忆测试中，小睡过的孩子能更准确地回忆起事件的顺序。这些孩子在第二天的相同测试中表现依旧更好。脑电图记录还显示，在这组小睡过的人中长时间处于慢波睡眠的孩子往往对故事的记忆更准确。
　　图 在认知神经科学家丽贝卡·斯宾塞的实验室里，研究人员为年幼的孩子阅读插图书籍，并要求他们按照正确的顺序排列书中的图片，以此来测试他们的记忆力。
　　图源：SHIZUKO MULLIN
　　小睡为什么随年龄增长而停止？
　　研究人员发现，经常小睡的孩子如果不睡，便往往在记忆力测试中表现不佳。 斯宾塞说：＂小睡很好——它在孩子们非常关键的时候起到了非常重要的作用。＂但这也提出了一个难题，她补充道，因为孩子们最终会不再每天小睡。＂既然小睡这么重要，为什么孩子渐渐就不睡了呢?＂由于孩子们在相当广泛的年龄范围内（从3岁到6岁） 停止小睡，她怀疑答案可能与大脑发育有关：也许在某个时间点（因人而异） ，大脑发生了某种尚未被发现的变化，使小睡对学习不再那么重要。
　　斯宾塞与马里兰大学帕克分校的发展认知神经学家特雷西·里金斯的合作提供了一些线索。他们利用核磁共振扫描儿童的大脑，并将重点放在海马体上——一种对创造新记忆至关重要的大脑结构。
　　斯宾塞和里金斯做出假设，海马体的发育促使人们不再规律地小睡。在实验室动物和成人身上进行的研究表明，海马体负责存储在清醒状态下接收的新信息。在睡眠过程中，这些记忆被转移或分配到大脑皮层进行更长时间的存储。
　　斯宾塞将海马体比作一个水桶。在发育早期，当储存记忆的容器很小时，它必须在睡眠期间更频繁地被清空。幼儿通过小睡来做到这一点。斯宾塞说，有小睡习惯的孩子若是被剥夺了睡眠时间，会忘记很多信息。但随着海马体的发育，它的容量也在增加。＂一个人更成熟，海马体就更大，我就可以不用频繁清空水桶来装更多东西。＂她说。斯宾塞和里金斯认为，这可以解释为什么随着孩子年龄的增长，对小睡的需求会减少。
　　图 海马体：发育认知神经科学家特雷西·里金斯一直在使用核磁共振成像研究大脑海马体几个分区的发育，并寻找与儿童睡眠和学习发育轨迹的相对应之处。（来源：2018《Neuroimage》Riggins等人。有改动。Knowable杂志）
　　这两位科学家现在正在研究孩子们不再小睡后大脑的变化。在2020年对 200名4至8岁儿童的研究中，研究人员及时分析了脑部扫描的即时快照。在4到6岁的孩子身上，斯宾塞和里金斯发现，海马体中有两个分区的大小与孩子的睡眠习惯之间存在一些有趣的关联。在睡眠较多的儿童（包括小睡和夜间睡眠） 中，一个被称为CA2-4/DG区域更大。与此同时，在这个年龄段停止小睡的孩子中，另一个名为CA1的区域往往更小。目前尚不清楚这些差异是否可能是促使孩子们停止小睡的部分原因。
　　里金斯说，这两个海马体区域可能在记忆中扮演着截然不同的角色，而且是互补的。神经学家提出，在成年人中，CA2-4/DG区域负责记录相似记忆之间的差异。而CA1可以帮助建立信息间的联系，例如一个人的脸和名字。但研究人员还不知道这些分区在婴儿和儿童身上的作用。
　　这项研究仍在起步阶段，科学家们还不知道其他大脑区域是否也可能与习惯性小睡的转变有关。在对大约65名儿童进行的一项后续调查中，里金斯和斯宾塞正在使用核磁共振扫描来跟踪个体成长过程中的大脑变化，这可以让研究人员能够及时捕捉海马体的变化，并加深对大脑发育和小睡之间联系的理解。
　　图 作为马里兰大学大脑研究项目的一部分，一名儿童进入核磁共振扫描仪。图源：马里兰神经成像中心
　　父母和幼儿园应该怎么做？
　　研究人员希望这样的发现最终可以帮助改善儿童的教育和睡眠，并帮助决策者和父母做出更好的决定，优先考虑小睡并将其安排进孩子繁忙的日程中。
　　在美国，政治家和学校负责人认为，幼儿园应该注重教学，而不是睡眠。在美国的一些地区，教育标准已经在响应着这一理念转变。例如，在斯宾塞工作的马萨诸塞州，有老师告诉她，在过去的10到15年里，幼儿园预留给小睡的时间减少了。使教室有助于睡眠的标准也有所放松，例如允许教师在小睡时间将房间调暗等。斯宾塞还说，在一些学校，家长可以选择送年幼的孩子去上游泳课或健身课，而不是小睡。她担心这会对孩子的学习能力产生影响。
　　斯宾塞说，对于那些有小睡习惯的小孩子来说，取消小睡会损害他们的认知能力 ——如果没有小睡，他们会忘记早上学到的信息。她希望父母们能更多地意识到小睡的好处。＂如果有人正在制定相关政策、或者有家长需要在可供午休的教室和不能午休教室之间做出选择，我希望他们得以在做决定时了解这些情况。＂
　　与此同时，强迫那些已经不再有小睡习惯的孩子在课堂小睡时保持安静也会产生不良后果。 澳大利亚布里斯班昆士兰大学的发展心理学家莎莉·斯塔顿和她的同事们在澳大利亚130个幼儿园班级里，观察了在小睡专用区域里的孩子们。她和她的团队在2016年发表在《行为睡眠医学》上的报告称，只有不到三分之一的孩子在规定的小睡时间睡觉。其余醒着的孩子通常会表现得很不舒服，例如在小睡时间哭泣或捣乱。
　　这涉及一个很难有确切回答的问题：究竟什么才是发育中典型的特征，而孩子又该什么时候不再小睡？相关的研究数据有限，尤其是有关低中等收入国家的数据。最近，斯塔顿等人对来自世界各地的44项关于小睡的研究进行了分析，结果显示出巨大的差异：一些孩子早在2 岁时就停止了小睡，而另一些孩子在6岁后仍然在小睡。斯塔顿表示，从这个角度来说，小睡类似于学习走路和说话等其他个体差异很大的发展阶段里程碑。一些孩子在9个月大的时候就开始走路，而另一些孩子在18个月大的时候才开始学习走路。范围内的任何情况都是完全正常的。她说：＂我们需要让更多人了解到，儿童的睡眠多样化是很正常的，也并非每个孩子都是一样的。＂
　　了解睡眠是如何发展的也可以发展为对孩子更好的照顾方法。里金斯说：＂我们知道身高和体重的发育轨迹……但我们对大脑的发育过程却不了解。＂她希望自己收集的核磁共振扫描数据可以帮助建立大脑成熟过程的＂标准＂。通过梳理这些关于认知、睡眠和大脑发育的线索，研究人员已经开始捕捉它们交织在一起、在生命早期塑造学习和记忆的过程。
　　版权声明
　　本文授权翻译自Annual Reviews 旗下杂志 Knowable Magazine， 点击文末阅读原文  可订阅其英文通讯。
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　　原文标题＂How learning happens in the brains of sleeping babes＂，作者Carolyn Wilke，2022.1.13发布于 Knowable Magazine。
　　链接：
　　https://knowablemagazine.org/article/mind/2022/how-learning-happens-brains-sleeping-babes
　　参考资料：（滑动浏览）
　　1.https://www.nature.com/articles/ncomms7004
　　2.https://knowablemagazine.org/article/mind/2019/why-we-forget
　　3.https://www.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev-devpsych-060320-085634
　　4.https://journals.sagepub.com/doi/10.1111/j.1467-9280.2006.01764.x
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　　11.https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/15402002.2015.1120199?journalCode=hbsm20
　　12.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1087079219302151
　　13.https://knowablemagazine.org/article/mind/2020/how-babies-learn-language
　　制版编辑 | -小圭月-