婴幼儿为什么需要小憩?

2022-03-26 来源:神经现实 原文链接:点击获取

在摇篮中打盹的新生儿戴着一顶装有100多个软电极管的弹性帽子。一声低沉的哔声传来,她眯了眯眼。在一旁,科学家看着计算机屏幕上移动的锯齿状线条,这些线条记录着婴儿大脑的电活动。科学家想要知道大脑中发生了什么——这个微小的眯眼动作是否意味着宝宝在睡眠状态也能学习。

纽约哥伦比亚大学欧文医学中心(Columbia University Irving Medical Center)的发展神经科学家威廉·费菲儿(William Fifer)说,新生儿需要学习和适应他们所处环境中的一切,可他们却花费70%的时间来睡觉。因此,费菲儿和目前在波士顿大学的发展心理学家阿曼达·塔鲁洛(Amanda Tarullo)决定尝试捕捉宝宝睡觉时的学习行为。

研究者发现,仅有一两天大的婴儿能够学会声音信号与喷向他们的轻柔气流之间的预测关系。经过训练后,婴儿能在听到声音后闭上眼,就像巴普洛夫著名的狗狗在最终听到起初与食物伴随出现的声音时会流下口水。

经过数十年的研究,我们已经知道睡眠对成人的学习有重要作用。但我们仍对新生儿睡眠与学习之间的关系知之甚少,更不用说随着婴儿成长为学步幼儿和学龄前儿童,这种关系会发生怎样的变化。

小憩尤其令人疑惑。研究显示小憩对学习至关重要,但大多数孩子在三到五岁之间会自然停止小憩,没有人知道为什么。研究者们正在解决这一问题——他们对小憩和学习之间复杂关系的理解或许最终能帮助到家长、幼儿园和决策者改善孩子的健康状况和学习效果。

- Nick Matej -

睡一觉再说

婴幼儿的睡眠看起来与成人的有很大差异,他们的睡眠模式会随着年龄发展产生剧大变化。新生儿每天睡16至18小时。起初他们在一天中的任何时间都能睡觉,但大约六个月后,他们的生物钟逐渐与昼夜循环同步。约十二个月后,婴儿主要在夜间睡眠,白天小憩数次。而在大约两岁后,大多数孩子在白天只进行一次小憩。

研究表明[1],小憩在很多婴儿学习的重要事情上都扮演了重要的角色。柏林洪堡大学神经科学家曼纽拉·弗雷德里希(Manuela Friedrich)表示:“睡眠对早期词汇学习很重要。”一项2015年的研究证明了这一点。在这项研究中,弗雷德里希的团队向90名9到16个月的婴儿展示新异物品的图片(比如,看起来像哑铃或万能工匠*的物品)。

*译者注

一个玩具品牌,组装类玩具。

在看到每一张图片的同时,儿童会听到对应的物品名称(一个虚构的单词,比如,“bofel”或“zuser” ),研究人员使用脑电图(EEG)仪器记录他们此时的大脑反应。一两个小时后,研究者再次展示图片并匹配上之前听到过的名称或其他的虚构单词,来检验婴儿的记忆力。由于婴儿太小,无法说出物品名称,研究者便通过分析脑电记录来寻找他们建立的这种词-物关系的证据。此前研究已经确定了,当人们听到出乎意料的东西时,脑电记录中会出现的某些特征,例如出现在特定时间点的电压信号。在弗雷德里希的研究中,研究者观察到这样的信号。这说明婴儿在听到物品和一个“错误的”单词配对时会感到惊讶,表明宝宝在之前已经学会了单词-物品之间的关联。

一些针对婴儿和儿童的研究追踪了他们大脑中的电活动,以确定他们是否记得以前听到过的单词。一个被称为N400的电压峰值信号提示了研究者,表明孩子(听句子时)意料之外的一个特定单词(如图中的“眼球[eyeballs]”),这表明她已经学会了在其他单词或图像后面应该出现什么单词。

Kutas, M., & Federmeier, K. D. (2011). Thirty years and counting: finding meaning in the N400 component of the event-related brain potential (ERP). Annual review of psychology, 62, 621–647. https://doi.org/10.1146/annurev.psych.093008.131123

EEG记录表明,在记忆检验前小憩过一会儿的孩子记住了他们之间见过的单词-物品配对[1]。与之相对的是,没有小憩过的孩子并没有记住这种关联。此外,小憩过的婴儿似乎将他们学习过的物品分类了:当他们见到与之前学习过的物品相似的新物品时,他们的脑电活动表明他们期待着之前学习过的单词。换句话说,弗雷德里希说:“当婴儿在睡觉时,他们的大脑在提取着之前学习经历的要点。”

在同一个研究中,弗雷德里希和他的同事也发现,宝宝将物品分类的能力与小憩时出现的一种被叫做睡眠纺锤波(sleep spindles,一种快速放电活动)的脑电特征有关。更高波幅,即电压变化波动更大的睡眠纺锤波,只出现在学会概括单词的孩子身上。

这些睡眠纺锤波经常在慢波睡眠期出现(在慢波睡眠期,脑电记录会呈现出一种特定频率缓慢振荡的电活动)。这说明了婴儿与成人之间一个有趣的差异。在成人中,慢波睡眠发生在深度睡眠中。它与记忆巩固[2],即将一天里形成的短时记忆转化为更长久记忆的过程相关联。但儿童在小憩中会经历比成人更多的慢波睡眠。

在孩子在学习大量重要信息时,小憩可能会帮助他们巩固记忆。加利福尼亚大学戴维斯分校的发展心理学家西蒙娜·盖蒂(Simona Ghetti)说,在早期认知发展中,“科学研究似乎说明小憩有独特的作用”。她是2020年发表在《发展心理学年鉴》(Annual Review of Developmental Psychology)上的关于发展中大脑的记忆研究的共同作者[3]。

一项2013年的研究显示,在听完故事后午睡的儿童比没有小憩的儿童记忆得更好,且这一作用能够持续一天。

Kurdziel, L., Duclos, K., & Spencer, R. M. (2013). Sleep spindles in midday naps enhance learning in preschool children. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 110(43), 17267–17272. https://doi.org/10.1073/pnas.1306418110

根据亚利桑那大学的认知心理学家丽贝卡·戈麦斯(Rebecca Gómez)的研究[4],小憩似乎能够帮助宝宝理解句子结构。研究中,戈麦斯和同事让48名15个月大的儿童接触一个虚拟语言,语言包含“vot wadim jic”和“vot kicey jic”这样的一些字符串单词。小憩过的孩子似乎能够更好地掌握模式,例如句子中第一个词总是会决定第三个词。研究者认为这是理解语法的一步。

在研究中,孩子在安静的家中玩耍时,第一次听到这些句子。随后,一些孩子小憩而另一些孩子不小憩。几小时后,家长将孩子带到戈麦斯实验室[5],研究者在实验室中重播这些字符串单词,并通过宝宝注视声源方向的时长,来追踪其集中注意力的时间,这是研究者评估还没学会说话的儿童注意力情况的常用方式。

经过小憩及没有小憩的孩子都相似地关注他们之前听到过的字符串单词,表明他们均记住了这些句子。但只有小憩的宝宝对遵守了同样规则的新句子表现出相似的注意,暗示了他们掌握了一种更加一般性的理解。戈麦斯表示,这个发现表明,小憩帮助宝宝对他们学习到的进行推断理解,形成一个他们可以应用在新情景的模版。

根据马萨诸塞大学阿默斯特分校认知神经科学家丽贝卡·斯宾塞(Rebecca Spencer)的研究,在更大的孩子中,小憩或许不仅能在语言方面帮助到他们。在一项2020年的研究中,斯宾塞和她的研究生桑娜·卢肯瓦拉(Sanna Lokhandwala)模仿了幼儿园中一项常见的活动:故事时间。他们写了几本讲述短篇故事的书,内容包括在动物园的一天,或是饼干烘焙冒险等。在斯宾塞睡眠实验室中[6],研究者为三到六岁的儿童阅读这些书,并在阅读过程中将对应图片指出来。为了检验儿童在听完故事后的即时回忆能力,研究者要求他们将书中的一系列图片按照故事排序。随后,一些孩子小憩最长两小时,另一些孩子保持清醒,画画或做智力游戏。

研究者发现小憩的孩子在第二次记忆测试中有着更高的事件顺序回忆正确率[7]。这些孩子在第二天的相同任务中也表现得更好。在这组小憩的孩子中,脑电记录表明,长时间处在慢波睡眠的孩子一般有更高的故事记忆准确率。

在认知神经科学家丽贝卡·斯宾塞的实验室中,研究者给小朋友阅读有着插图的书,并通过要求他们给书中出现的图片排列正确的顺序来测试他们的回忆能力。

SHIZUKO MULLIN

为什么不再小憩?

研究者发现,当规律小憩的孩子错过了他们的小憩,他们在记忆测试中更可能出现较差的表现。斯宾塞说:“小憩超赞的,它们在非常关键的时期为孩子做了重要的事情。”但她补充道,这又带来了一个谜团,因为孩子最终会放弃规律午睡。“午睡如此重要,为何(他们)放弃了小憩?”由于孩子小憩习惯的过渡年龄范围很广,从3岁到6岁不等。因此,她怀疑答案可能会与大脑发育有关:或许在某个存在个体差异的特定时刻,大脑发生了某些尚未被发现的变化,使得小憩对学习不再那么重要。

相关的一些证据来自于斯宾塞与马里兰大学帕克分校的发展认知神经科学家特蕾西·里金斯(Tracy Riggins)的合作[8]。通过磁共振成像(MRI)对儿童的大脑进行扫描,他们关注的是海马体(hippocampus),一个对新记忆创造非常重要的大脑结构。

斯宾塞和里金斯假设海马体的发育驱使了规律小憩的过渡。实验室动物和成年人研究表明,在清醒状态下,海马体扮演着对学习到的新信息进行短期储存的角色;而在睡眠状态下,这些记忆被转移或分配到皮层进行长期储存。

斯宾塞将海马体比作水桶。在发育早期,储存记忆的水桶容量还很小,因此,人们需要在睡眠中更频繁地清空水桶。幼儿通过小憩来做到这一点。斯宾塞说,当有小憩习惯的小孩子被剥夺小憩时,他们会遗忘很多信息。但随着海马体的发展,水桶的容量也得到了发展。她说,“如果我更成熟了,我将会有更大的海马体,那么,我将能够储存更多的信息而不用清空我的水桶。”斯宾塞和里金斯认为这或许能够解释为什么随着孩子年龄的增加,对小憩的需求减少。

发展认知神经科学家特蕾西·里金斯(Tracy Riggins)使用MRI研究大脑海马体几个子区域的发育,并寻找与儿童睡眠和学习发展轨迹相似的地方。

Riggins, T., Geng, F., Botdorf, M., Canada, K., Cox, L., & Hancock, G. R. (2018). Protracted hippocampal development is associated with age-related improvements in memory during early childhood. NeuroImage, 174, 127–137. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2018.03.009

如今,这两位科学家正在观察停止小憩时,孩子的大脑发生什么变化。在一项2020年的研究中,研究者分析了200名4到8岁儿童的大脑扫描图像。斯宾塞和里金斯发现,在4到6岁的儿童中,海马体两个子区域的体积和孩子的睡眠习惯之间存在一些有趣的相关[9]:一个叫做CA2-4/DG的区域在小憩与晚间睡眠时间较长的孩子中体积较大。同时,另一个叫做CA1的区域在这个年龄段停止小憩的孩子中一般更小。目前,他们还不清楚这些差异是否促使孩子们减少小憩时间。

里金斯表示,这两个海马体区域在记忆中的角色存在差异和互补。神经科学家提出,在成人中,CA2-4/DG区域负责记录相似记忆之间的差异。而CA1区域帮助我们建立联系,例如一个人的脸和名字之间的对应关系。但研究者不知道这些子区域在婴儿和孩子中的作用。

现在进行这项工作还为时过早,科学家们还不知道大脑的其他区域是否也与习惯性小憩的转变有关。在一项对65名孩子的追踪调查中,里金斯和斯宾塞正在使用MRI扫描追踪孩子的大脑随着个体成长发生的变化,这或许能让研究者捕捉海马体发生的变化,以建立大脑发展和小憩之间更强的关联。

在马里兰大学,作为一项大脑研究的部分,一名孩子进入到MRI扫描仪中。

MARYLAND NEUROIMAGING CENTER

家长和幼儿园的决定

研究人员希望这样的发现最终能帮助改善幼儿的教育和睡眠,并帮助决策者和父母更好地决定小憩在繁忙的日程中的优先顺序。

在美国,决策者和学校负责人认为幼儿园应该注重教学而非睡眠。在美国的一些地区,教育标准已经基于这一理念发生了转变[10]例如,在斯宾塞工作的马萨诸塞州,老师们告诉她,在过去的10到15年中,幼儿园留给小憩的时间已经减少。课室的标准也降低了,变得不再有利于学生小憩。斯宾塞说,在一些学校,家长可以选择在小憩时间将幼儿送去游泳课或桑巴健身课。她担心这会对孩子的学习产生影响。

斯宾塞说,对于有习惯性小憩的幼儿,错过小憩会伤害他们的认知表现。没有下午的小憩,他们会损失早上学习到的信息。她希望家长能够更多地意识到小憩的好处。“我认为无论是决策者改变的政策,还是家长在小憩教室和非小憩班级之间做出的选择,都应当考虑到我们研究中得出的结论。”

同时,强迫那些已经不再小憩的孩子在班级小憩时间安静不动也会造成不良后果。在澳大利亚布里斯班的昆士兰大学的发展心理学家沙莉·斯塔顿(Sally Staton)和她的同事在澳大利亚的130个幼儿园班级中观察了儿童的小憩区域。她和她的团队2016年在《行为睡眠医学》(Behavioral Sleep Medicine)上发表的文章中报告到[11],不到三分之一的孩子在规定的小憩时间睡觉。那些醒着的孩子常会表现出痛苦,例如在小憩时间哭泣或发脾气。

这个问题的一部分在于发展中典型情况的不确定性:孩子在什么时候开始放弃小憩?针对这个问题的相关数据仍然有限,特别是在中低收入国家。斯塔顿和其他研究者最近对44项小憩研究进行了评估分析[12],结果表明在全球范围内存在巨大的差异,一些孩子早在两岁时就停止了小憩,而其他一些直到六岁仍在小憩。斯塔顿说,在这种意义上,小憩与学习走路、说话这样的其他发展里程碑类似,在个体之间存在很大差异。一些孩子早在9个月时就开始走路了,而另一些孩子要在18个月时才学习走路。这些都是完全正常的。她说:“我们需要让睡眠多样化这一事实正常化,并非每一个孩子都一样。”

理解睡眠如何发展或许也有利于对孩子提供更好的照顾。里金斯说:“我们知道身高和体重的发展轨迹……但我们不知道大脑的发展轨迹是怎样的。”她希望她收集的MRI扫描可以帮助人们确定大脑发育过程中的正常路径。通过梳理认知、睡眠和大脑发展这些线,研究者开始捕捉它们是如何相互交织在一起,从而塑造人生早期的学习和记忆。

参考资料

1、Friedrich, M., Wilhelm, I., Born, J., & Friederici, A. D. (2015). Generalization of word meanings during infant sleep. Nature communications, 6, 6004. https://doi.org/10.1038/ncomms7004

2、https://knowablemagazine.org/article/mind/2019/why-we-forget

3、Ghetti, Simona, and Yana Fandakova. "Neural development of memory and metamemory in childhood and adolescence: toward an integrative model of the development of episodic recollection." Annual Review of Developmental Psychology 2 (2020): 365-388.

4、*Gómez, R. L., Bootzin, R. R., & Nadel, L. (2006). Naps Promote Abstraction in Language-Learning Infants. Psychological Science, 17(8), 670–674. https://doi.org/10.1111/j.1467-9280.2006.01764.x

5、戈麦斯实验室官网:https://www.childcognitionlab.arizona.edu/dr-gomez

6、斯宾塞实验室主页:https://www.somneurolab.com/

7、Lokhandwala, S., & Spencer, R. (2021). Slow wave sleep in naps supports episodic memories in early childhood. Developmental science, 24(2), e13035. https://doi.org/10.1111/desc.13035

8、里金斯实验室主页:http://ncdl.umd.edu/index.html

9、Riggins, T., Spencer, R.M.C. Habitual sleep is associated with both source memory and hippocampal subfield volume during early childhood. Scientific Reports, 10, 15304 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-72231-z

10、Marion, Ashleigh. "Read, Write, and Relax: Teachers Perspectives on the Decrease of Naptime in Kindergarten." (2018).

11、Sally L. Staton, Simon S. Smith, Cameron Hurst, Cassandra L. Pattinson & Karen J. Thorpe (2017) Mandatory Nap Times and Group Napping Patterns in Child Care: An Observational Study, Behavioral Sleep Medicine, 15:2, 129-143, DOI: 10.1080/15402002.2015.1120199

12、Staton, S., Rankin, P. S., Harding, M., Smith, S. S., Westwood, E., LeBourgeois, M. K., & Thorpe, K. J. (2020). Many naps, one nap, none: A systematic review and meta-analysis of napping patterns in children 0-12 years. Sleep medicine reviews, 50, 101247. https://doi.org/10.1016/j.smrv.2019.101247

作者:Carolyn Wilke | 封面:ElISE MACDONALD

译者:苏打美式 | 审校:山鸡

编辑:山鸡 | 排版:Lynn

原文:

https://knowablemagazine.org/article/mind/2022/how-learning-happens-brains-sleeping-babes

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