熟睡中的嬰兒大腦如何進行學習

神經科學家早就知道，睡眠有助於鞏固成年人的記憶，而午睡在嬰兒和幼兒中可能起著同樣重要的作用。

一個新生嬰兒在搖籃裡打瞌睡，戴著一頂裝有 100 多個軟電極的彈性帽子。一聲低沉的嗶嗶聲響起，她瞇起眼睛。科學家們在附近觀察電腦螢幕上的鋸齒狀線條，記錄嬰兒大腦中的電活動。科學家們想知道裡面發生了什麼——這種微小的瞇眼動作表示嬰兒在睡覺時一直在學習。

紐約哥倫比亞大學歐文醫學中心的發育神經科學家William Fifer說，新生兒的工作是了解和適應環境中的一切。然而，新生兒大約 70% 的時間都在睡覺。 因此，Fifer 和現就職於波士頓大學的發展心理學家 Amanda Tarullo 決定看看他們是否可以在嬰兒睡著的時候抓住學習的機會。

研究人員發現，只有一兩天大的嬰兒可以知道一種音調，預示著一股柔和的空氣——最終，嬰兒在單獨聽到這種音調後會眨眼，就像巴甫洛夫的著名實驗—狗對某些聲音的反應流口水一樣 ，因為在一開始狗聽到聲音時能得到食物。

在成年人中，睡眠對學習的重要性已通過數十年的研究得到充分證實。但對於新生兒的睡眠和學習如何相互作用知之甚少，更不用說隨著嬰兒成長為幼兒和學齡前兒童，這種關係如何變化。

午睡尤其令人費解。研究顯示，午睡對早期學習至關重要，但大多數孩子在 3 到 5 歲之間自然會停止打盹，沒有人知道為什麼，但一群研究人員正在研究此現象。他們對午睡和學習之間錯綜複雜的關係的新認識，可能會幫助父母、幼兒園和政策制定者做出改善孩子健康和學習的決定。

熟睡中的嬰兒大腦如何進行學習

睡一覺整理一下
為什麼停止午睡？
家長和幼兒園的決定

睡一覺整理一下

嬰兒和幼兒的睡眠看起來與成年人的睡眠非常不同，並且隨著孩子的發育，睡眠模式會發生巨大變化。新生兒每天睡大約 16 到 18 個小時。起初，他們全天隨機睡覺，但大約六個月後，他們的內部時鐘與晝夜週期同步。大約 12 個月大時，嬰兒大多在晚上進入長睡眠，白天小睡幾次。大約兩年後，大多數孩子每天只小睡一次。研究顯示，午睡在嬰兒學習的許多重要事情中有重要影響力。 “睡眠對於最早的單字學習至關重要，”柏林洪堡大學的神經科學家 Manuela Friedrich 說。在 2015 年的一項研究中，Friedrich 的團隊通過向 90 名 9 至 16 個月大的嬰兒展示未知物體的圖像（例如，看起來像啞鈴或修補玩具的東西）來證明這一點。

在觀看每張圖像時，孩子們聽到了物體的名稱——一個虛構的字詞，例如“bofel”或“zuser”——腦電圖 (EEG) 記錄捕捉到了他們大腦的反應。一兩個小時後，研究人員通過再次顯示圖像來測試嬰兒的記憶力，這些圖像要麼與他們之前聽到的物體名稱配對，要麼與一個不同的虛構字詞配對。由於嬰兒太小，無法說出物體的名稱，研究人員檢查了腦電圖記錄，以尋找他們關聯的證據。先前的研究已經確定了腦電圖軌蹟的某些特徵——比如特定時間的電壓波動——當人們聽到意想不到的東西時就會出現這些特徵。在Friedrich的研究中，光點的存在顯示嬰兒聽到對象與“錯誤”單字配對時感到驚訝，這顯示嬰兒已經學會了單字-對象關聯。

腦電圖記錄顯示，在記憶測試之前小睡過的孩子，會記住他們之前看到的詞-物件配對。另一方面，非午睡者沒有。不僅如此，打瞌睡的嬰兒似乎還把他們學過的東西歸為一類：當他們看到與以前見過的相似的新物體時，他們的腦電圖活動顯示他們期待一個以前學過的詞。換句話說，Friedrich說，“當嬰兒睡覺時，他們的大腦提取了以前經歷的要點。”

在同一項研究中，，Friedrich和她的同事還發現，嬰兒在看到幾個例子後將物體歸為一類的能力，與午睡期間稱為睡眠紡錘體的腦電圖特徵的存在相關：電活動的快速爆發。更高振幅的睡眠紡錘波——電壓波動更大的紡錘波——只發生在學會概括單詞的孩子身上。

這些睡眠紡錘體通常與慢波睡眠同時發生，慢波睡眠是腦電圖記錄中顯示的緩慢振盪電活動的特定頻率，這說明了嬰兒和成人之間的一個有趣的區別。在成年人中，慢波發生在深度睡眠期間，並且與記憶鞏固有關，在這一過程中，白天形成的短期記憶轉變為更持久的記憶。但是兒童在小睡時會比成人經歷更多的慢波。

小睡可以幫助孩子在學習大量重要信息時鞏固記憶。加州大學戴維斯分校的發展心理學家Simona Ghetti說： “科學似乎顯示，午睡在早期認知發展中具有獨特的作用”，她是 2020 年《發展心理學年度評論》中關於發育中大腦的記憶的文章合著者。

根據圖森亞利桑那大學認知心理學家Rebecca Gómez的研究，小睡似乎也有助於嬰兒理解句子結構。當 Gómez 及其同事讓 48 名 15 個月大的孩子接觸一種虛構的語言時，比如“vot wadim jic”和“vot kicey jic”等一連串單詞，有小睡的孩子似乎更能掌握模式，比如發現事實上，一個句子的第一個字總是決定第三個字，研究人員認為這是朝著理解語法邁出的一步。

在研究中，孩子們先是在家裡安靜地玩耍時聽到這樣的句子，之後，有的孩子打盹，有的孩子保持清醒，幾個小時後，父母將孩子們帶到 Gómez 的實驗室，在那裡，研究人員重播了單字串，並通過測量嬰兒注視播放聲音的擴音器方向的時間，來追踪嬰兒的注意力——這是一種常用的方法，由研究人員評估太小還不能說話的孩子的注意力。

小睡者和不睡的人都注意到他們以前聽過的一串詞，這顯示他們記得那些句子。但小睡的嬰兒也能聽懂遵循相同規則的新句子，這暗示了更普遍的理解。Gómez 說，這一發現顯示，小睡有助於嬰兒推斷他們所學的知識，教給他們一個可以應用於新情況的範本。

根據馬薩諸塞大學阿默斯特分校的認知神經科學家Rebecca Spencer的研究，對於年齡較大的兒童，小睡可能不僅僅對語言有幫助。在 2020 年的一項研究中，Spencer 和她的研究生 Sanna Lokhandwala 模仿了一項常見的學前活動：故事時間。他們創作了幾本講述一個短篇故事的書——例如，關於動物園的一天，或者一次烤餅乾的冒險。在Spencer的睡眠實驗室中，一名研究人員將這些書讀給 3 到 6 歲的孩子聽，沿途指著圖片。為了測試孩子們聽到故事後的記憶力，研究人員要求他們按順序排列一組書中的圖片。然後一些孩子睡了長達兩個小時，而另一些孩子則保持清醒，畫畫或做拼圖。

研究人員發現，在第二次記憶測試中，午睡者更準確地回憶起事件的順序。這些孩子在第二天的相同測試中表現也更好。在小睡的孩子中，腦電圖記錄顯示，那些在慢波睡眠中經歷更長時間的人，往往對故事有更準確的記憶。

為什麼停止午睡？

研究人員發現，當經常小睡的孩子錯過小睡時，他們往往在記憶力測試中表現不佳。 “小睡很棒——他們在非常關鍵的時刻為孩子們做所有這些重要的事情，”Spencer說。但這提出了一個難題，她補充說，因為孩子們最後放棄了他們的常規小睡。 “既然如此重要，為什麼要停止小睡？”因為孩子們在相當廣泛的年齡範圍內（從 3 歲到 6 歲）從小睡過渡，她懷疑答案可能與大腦發育有關：也許在某個時間點，每個孩子都不同，大腦發生了變化以某種尚未被發現的方式，使午睡對學習變得不那麼重要。

這方面的一些證據來自Spencer與馬里蘭大學帕克分校的發育認知神經科學家Tracy Riggins的合作。使用磁共振成像 (MRI) 掃描兒童的大腦，他們專注在海馬迴，這是一種對創造新記憶很重要的大腦結構。

Spencer和Riggins假設海馬迴的發育推動了從常規午睡的轉變。對實驗動物和成年人的研究顯示，海馬迴可以作為清醒時新資訊的短期儲存場所。在睡眠期間，這些記憶被轉移或分配到大腦皮層以進行更長時間的存儲。

Spencer將海馬迴比作水桶。在發育早期，當儲存記憶的桶很小時，它必須在睡眠期間更頻繁地清空，幼兒通過小睡來做到這一點。斯賓塞說，當習慣午睡的小孩被剝奪午睡時間時，他們會忘記很多訊息。但隨著海馬迴的發展，它的能力也在發展。 “如果我更成熟，而且我的海馬迴更大，我就可以拿著更多東西，而不必清空我的水桶，”她說。 Spencer 和 Riggins 認為這可以解釋為什麼隨著孩子年齡的增長，午睡的需求會減少。

這兩位科學家現在正在研究孩子們在停止小睡時大腦的變化。在 2020 年對 20​​0 名 4 至 8 歲兒童的研究中，研究人員及時分析了快照中的腦部掃描。在 4 到 6 歲的孩子身上，Spencer 和 Riggins 發現了海馬迴兩個子區域的大小，與孩子們的睡眠習慣之間存在一些有趣的相關性。一個叫做 CA2-4/DG 的區域在睡得更多的孩子中更大，包括小睡和夜間睡眠。與此同時，在這個年齡段的停止午睡的孩子中，另一個名為 CA1 的區域往往更小。目前尚不清楚這些差異是否可能是促使孩子們停止午睡的部分原因。

Riggins 說，這兩個海馬區可能在記憶中發揮不同且互補的作用。神經科學家提出，在成年人中，CA2-4/DG 區域追踪相似記憶之間的差異。相比之下，CA1 可能有助於建立聯繫，例如在人臉和姓名之間建立聯繫，但研究人員不知道這些亞區域在嬰兒和兒童身上做了什麼。

這項研究還為時過早，科學家們還不知道其他大腦區域是否也可能與習慣性小睡的過渡有關。在對大約 65 名兒童進行的一項後續調查中，Riggins 和 Spencer 現在正在使用 MRI 掃描來跟踪個體成長過程中的大腦變化，這可能使研究人員能夠及時捕捉海馬迴的變化，並在大腦發育和小睡之間建立更緊密的連結。

家長和幼兒園的決定

研究人員希望這樣的發現可以幫助改善幼兒的教育和睡眠，並幫助政策制定者和父母做出更好的決定，確定小睡的優先層級，讓他們適應繁忙的日程安排。

在美國，政治家和學校管理者認為學前班應該專注於教學，而不是睡覺。在該國的某些地區，教育標準已經發生變化以反應這一想法。例如，在Spencer 工作的馬薩諸塞州，老師告訴她，在過去 10 到 15 年裡，留給小睡的學前班時間已經減少了。使教室有利於睡眠的標準也降低了，例如允許教師在午睡時間使房間變暗。Spencer說，在一些學校，家長可以選擇讓年幼的孩子去上游泳課或尊巴健身課，而不是小睡，她擔心這對學習的影響。

斯賓塞說，對於習慣午睡的非常年幼的孩子來說，不午睡會損害他們的認知能力——如果沒有午睡，他們會丟失早上學到的資訊，她希望父母能更意識到午睡的好處。 “如果有人正在做出政策決定，或者你讓父母在午睡室和非午睡教室之間做出選擇，我認為這應該是一個明智的選擇。”

同時，強迫停止午睡的孩子在課堂午睡時間保持安靜，也可能會產生不良後果。澳大利亞布里斯本昆士蘭大學的發展心理學家Sally Staton以及其同事，觀察了澳大利亞 130 間學前班教室裡的孩子們在留出午睡的空間。她和她的團隊在 2016 年的《行為睡眠醫學》中報告說，只有不到三分之一的孩子在強制午睡時間睡覺。這些清醒的孩子通常會顯得很痛苦，例如在午睡時哭泣或表現出來。

部分問題是關於發育中典型特徵的不確定性：孩子什麼時候放棄午睡？數據有限，尤其是低收入和中等收入國家。 Staton 和其他人最近對來自世界各地的 44 項午睡研究進行了評估，結果顯示差異很大，一些孩子早在 2 歲時就停止午睡，而另一些孩子在 6 歲後仍然在午睡。 Staton 說，通過這種方式，午睡類似於學習走路和說話等其他發展里程碑，這些里程碑因孩子而異。一些孩子早在 9 個月時就開始走路，而另一些孩子則在 18 個月時學會走路。這個範圍是完全正常的。 “我們需要使睡眠非常多樣化這一事實正常化，而且並非每個孩子都是一樣的，”她說。

了解睡眠如何發展也可以轉化為對孩子的更好照顧。 “我們知道身高和體重的發育曲線……但我們大腦的，”Riggins 說。她希望她收集的核磁共振掃描，可以幫助確定大腦成熟過程中的正常情況。通過蒐集這些關於認知、睡眠和大腦發育的線索，研究人員開始捕捉它們如何相互交叉和交織在一起，從而在生命早期塑造學習和記憶。

原文作者：Carolyn Wilke
原文出處：Why naps are crucial for kids’ learning and brain development (knowablemagazine.org)