記憶是如何儲存與形成的？睡眠與記憶有怎樣的關聯？這些都是賴秀芸關注的研究問題。作為專研神經科學的學者，她從細胞層面，研究記憶如何在腦部神經落下痕跡並儲存，並透過睡眠研究等角度，揭示其中的科學奧秘。

「當我們學習新事物，很快能記住，也會隨着時間流逝慢慢遺忘。而學習本身依靠聯繫，在大腦結構上體現為神經元細胞間的彼此溝通形成突觸（synapse），以形成長期記憶，並在腦中留下記憶痕跡（memory trace）。」賴秀芸解釋，科學家相信記憶是通過神經細胞間的「連接點」突觸來進行儲存，而在每個單一的神經細胞，其樹突（dendrites）分支上生出許多小小的棘狀突點樹突棘（dendritic spines），則負責接收神經信號，並負責神經元與神經元間的溝通。

樹突棘生成減少 影響學習記憶儲存

賴秀芸表示，老鼠或人在學習新東西和成長發育時，大腦都會生成非常多樹突棘。不過，當由青少年期進入成年期後，樹突棘會慢慢減少，又或在學習新知識時，舊的無用樹突棘亦會消退，「因此樹突棘的生成與減少，對學習與記憶形成儲存有很大影響。」

為搞清楚記憶如何在神經細胞上落下痕跡並能夠儲存，賴秀芸對利用轉基因小鼠進行運動學習睡眠實驗，這種小鼠的神經元可表達熒光蛋白。她讓小鼠在不停轉動的長型圓軸上訓練跑動，在結束運動後將小鼠們分為兩組，分別進入睡眠或保持清醒，並通過雙光子成像顯微鏡，更細緻地觀察小鼠大腦運動皮層上發光的熒光蛋白，並監測樹突棘在運動和睡眠中的變化情況。

「我們發現，小鼠在運動學習中大腦運動皮層上會生長出許多樹突棘，並且針對不同類型的記憶，神經元中的樹突棘會產生不同分支（branches），不同類型的記憶會分別儲存在不同的樹突棘中，不會彼此干擾。」有趣的是，被剝奪睡眠的樹突棘生成數量，要遠遠少於有充足睡眠的小鼠，而被剝奪睡眠的小鼠，亦無法將不同類型記憶分開儲存在不同的樹突棘分支上。

賴秀芸指，大腦有不同功能的腦區，而無數記憶片段就儲存在這些腦區。「就比如你聖誕節去日本旅行。旅途中吃了什麼、聽到什麼聲音、對外界感受的溫度、氣味、見了哪些人等，這些記憶片段都會分開儲存在不同的腦區，且腦區間彼此亦有聯繫。」

不僅如此，賴秀芸亦發現，經運動訓練完後充分睡眠的小鼠，在深層睡眠時，大腦運動皮層的腦細胞活躍，使得小鼠睡前的學習任務再激活，並促進腦神經元樹突棘的生長，並在小鼠醒來後關於該項運動學習的記憶與能力得到鞏固提升。