來源： BioArt

撰文|姜紅

責編 |酶美

睡眠是人類和動物王國的基礎(chǔ)生理活動。我們的身體可以是處于靜止的、不動的，但是大腦卻是可以十分活躍。哲學(xué)家把大腦的狀態(tài)分成四個階段：清醒（Awakening），睡眠（Sleep），沉睡（Slumber）和最高境界（Supreme）。睡眠是有多重要呢，文藝復(fù)興時期著名的戲劇家和作家威廉莎士比亞就有經(jīng)典的美妙地關(guān)于睡眠的臺詞：

我們?yōu)槭裁疵刻煨枰上拢ヒ庾R幾個小時進行休整？睡眠的作用到底是什么？如果不睡會造成什么影響？近十年來，得益于技術(shù)手段的進步，在理解睡眠和解決睡眠障礙等諸多睡眠大腦相關(guān)的問題上都有了很多突破，包括從微觀的分子機制，到宏觀的網(wǎng)絡(luò)層次，使我們越來越靠近理解睡眠的真相。在現(xiàn)代社會，睡眠對身體和精神衛(wèi)生健康的重要性往往是被低估的（996工作機制的危險性問題？）：實驗動物學(xué)的研究也表明睡眠不足導(dǎo)致認知能力下降； 在一項美國社區(qū)研究中所記錄的大量睡眠剝奪的案例，平均睡眠時間只有6.1個小時，而專家建議成人睡眠時間為7到9個小時。在發(fā)展中國家和發(fā)達國家的貧困人口中，睡眠的平均時間和睡眠質(zhì)量也是低的。這就表明，睡眠問題不僅僅 是關(guān)系生理健康的問題，也是關(guān)系到經(jīng)濟發(fā)展和社會民生問題。

2021年底，Science專欄將焦點聚焦在睡眠的研究上，睡眠領(lǐng)域?qū)＜易珜懙淖钚玛P(guān)于睡眠與學(xué)習(xí)記憶、鎮(zhèn)靜以及睡眠的誘因和結(jié)果上下游關(guān)系的綜述。本文就針對睡眠和學(xué)習(xí)記憶的一篇綜述進行總結(jié)Brain neural patterns and the memory function of sleep，以期給讀者一個直觀的認識和回顧。

睡眠對包括記憶在內(nèi)的良好認知至關(guān)重要。常用的記錄睡眠的方法主要有兩種：經(jīng)皮和顱內(nèi)電極植入的電生理記錄。根據(jù)其電生理特征，睡眠分為兩個時相：快速動眼睡眠（REM）和非快速動眼時期（NREM）。用于辨別二者的主要特征為：非快速動眼睡眠表現(xiàn)出Sharp-wave ripples （海馬尖波漣漪）， Cortical slow oscillations （皮層慢波振蕩）， δ 波 和Spindles等特征； REM睡眠主要以θ波振蕩為主。不同特征的睡眠電特征精確地反應(yīng)了潛在神經(jīng)環(huán)路的時相活動。這篇綜述，作者（Gabrielle Girardeau，法國國立衛(wèi)生研究院、索邦大學(xué)的獨立課題組組長）主要回顧了這些電的特征如何指導(dǎo)我們理解和認識睡眠在記憶鞏固的環(huán)路機制中發(fā)揮的作用和發(fā)生機制。特別關(guān)注了海馬θ波振蕩和Sharp-wave ripples以及他們是如何協(xié)調(diào)皮層模式的。最后強調(diào)了這些腦電活動模式在保持睡眠內(nèi)穩(wěn)態(tài)的作用，并展望了睡眠參與記憶相關(guān)學(xué)習(xí)鞏固的未來亟待研究的問題和挑戰(zhàn)。

記憶的形成過程實際上對大腦是個面臨挑戰(zhàn)的過程，大腦要決定哪些新的體驗可以被儲存以及整合到已有的記憶里，從而得以持續(xù)和較正。記憶形成于清醒狀態(tài)下，連續(xù)的新的感覺體驗。睡眠之后給大腦提供一個機會窗口，即在沒有外部刺激的干擾下，去分類和增強新編碼的記憶。這個過程就叫做記憶的鞏固，進而促進長期記憶的產(chǎn)生或者記憶痕跡（Memory engram，這個過程在清醒時期用以支持信息的再提?。?/font>的形成。

在睡眠過程中，參與記憶處理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)金字塔是被內(nèi)源性激活的。這些活動可以通過非創(chuàng)傷性表面電極記錄（EEG）或者顱內(nèi)電極記錄局部場電位（LFP）以及尖峰電位。大量的研究表明這些記錄到的睡眠中的電振蕩模式對于理解大腦的工作原理很有幫助，這些電信號包括：振蕩（比如θ波），可識別波形的瞬間電位（比如樹突電位），和尖峰電位放電活動類型（上下狀態(tài)）。下面就從幾個方面討論這些電信號在睡眠大腦是如何參與學(xué)習(xí)和記憶中扮演的角色。

非快速動眼睡眠和海馬尖波漣漪（SWR）

海馬具有三個層面的結(jié)構(gòu)，信息流從齒狀回（DG）經(jīng)過CA3到達CA1，睡眠中重要的一個類型是尖波漣漪復(fù)合體 （見圖一的Ripples）。在睡眠中， CA3的錐體神經(jīng)元自發(fā)性興奮，發(fā)放同步的簇狀放電。這一活動激活大量的CA1區(qū)的錐體神經(jīng)元。在輻射層，CA3的樹突收到的輸入信息產(chǎn)生尖波。同時在CA1區(qū)域，激活的錐體細胞和中間神經(jīng)元的交互活動會產(chǎn)生快速的振蕩事件（200Hz）： 漣漪。關(guān)于這些電信號參與記憶鞏固的過程，目前存在兩步法理論假說：第一，CA3和CA1的亞細胞群在某次經(jīng)歷中已經(jīng)通過θ振蕩協(xié)同起來，并形成編碼相關(guān)新信息的細胞組合。這些組合的CA3細胞在接下來的睡眠時期就通過SWR期重新激活CA1整合的細胞群，從而使CA1 和CA3間的連接加強，最終導(dǎo)致記憶的鞏固。和這個理論比較契合地幾個現(xiàn)象包括：在曠場實驗的探索中同步放電的多對CA1錐體細胞會在睡眠SWR時相中保持關(guān)聯(lián)。在清醒時期活動關(guān)聯(lián)的持續(xù)性在接下來的睡眠中通常被認為會重現(xiàn)（Replay）； 利用大量的方法和手段，類似的現(xiàn)象也存在于共放電模式和位置細胞在清醒中激活，在睡眠SWR中重現(xiàn)。更重要地是，人類也存在類似的現(xiàn)象。

最早為了研究重現(xiàn)與記憶鞏固的關(guān)聯(lián)，研究者開發(fā)了閉環(huán)模式系統(tǒng) （圖二），干擾睡眠漣漪，發(fā)現(xiàn)空間記憶受到明顯損傷。在曠場探索之后，光遺傳學(xué)手段在睡眠SWR時相抑制CA1 區(qū)的錐體細胞嚴重損害這些細胞集群的重現(xiàn)。這些結(jié)果說明空間記憶重現(xiàn)的缺失是由于缺乏空間地圖的鞏固或者記憶痕跡的形成。其中影響SWR相關(guān)的重現(xiàn)有很多因素，新奇刺激就是其中一種。

雖然大部分SWR和再激活研究聚焦在CA1區(qū)。然而社交記憶痕跡在SWR時相的CA2會再激活，以及CA2的再激活在社交記憶的增強和減弱方面具有雙向調(diào)節(jié)。這些結(jié)果表明，CA3—CA1可能更傾向于SWR再激活的整合，對鞏固空間記憶有幫助。CA2可能對SWR時相在社交記憶方面更傾向。

相對于有限的局部電位漣漪觀察，算法的發(fā)展在快速在線監(jiān)測，特別是在重現(xiàn)內(nèi)容方面，必將對睡眠重現(xiàn)的理解有極大的幫助。關(guān)于這一點的應(yīng)用，Gridchyn et al。， 訓(xùn)練了大鼠在兩個不同的環(huán)境中覓食，并干擾了接下來的睡眠和靜息態(tài)的SWR事件，但不影響在第一個環(huán)境中再激活的部分。結(jié)果發(fā)現(xiàn)大鼠在不被感染的環(huán)境中的表現(xiàn)比第二個更好，提示了在第一個環(huán)境中的空間記憶的鞏固沒有被打斷從而得以保留。總之，過去幾十年積累的結(jié)果提示海馬信息整合的再激活和新鮮信息有關(guān)聯(lián)。睡眠SWR期的 學(xué)習(xí)對記憶鞏固很關(guān)鍵。但是，令人驚訝的是，海馬的再激活是否也存在于海馬的腹側(cè)部分還是未知的。腹側(cè)海馬的大腦連接和背側(cè)不同，主要與焦慮和應(yīng)激相關(guān)。另外，在非快速動眼期，海馬齒狀回的尖峰放電，反應(yīng)了強烈的皮層到齒狀回的輸入，被認為和NREM的鞏固過程有關(guān)，但還有待繼續(xù)研究。

海馬-皮層的協(xié)同通過非快速動眼時期的睡眠模式實現(xiàn)

大部分關(guān)于長期記憶鞏固的主要理論包括海馬和新皮層的相互交流。在NREM睡眠期間，皮層環(huán)路經(jīng)歷了高低集群放電的時相交替。這些改變轉(zhuǎn)變?yōu)镹REM時期局部場電位的經(jīng)典慢振蕩。特別是，下降支和顯著的LFP偏轉(zhuǎn)有關(guān)，叫做δ波。δ波經(jīng)常伴隨spindles， 來自丘腦的大約10-15赫茲振蕩。所有這些皮層節(jié)律，大部分通過和其他海馬和皮層模式的相互協(xié)調(diào)，參與到記憶的鞏固。

人類的經(jīng)顱刺激可以用于在NREM期間促進慢波振蕩。這樣的操作有助于第二天的記憶重獲。大量的和EEG相關(guān)的研究表明，慢波和spindle在記憶鞏固中的作用。在嚙齒類動物的腦機接口的一個實驗中，非常有趣地發(fā)現(xiàn)動物通過訓(xùn)練可以控制獎賞設(shè)備，自我調(diào)控預(yù)先指定的神經(jīng)元的放電。在這一操作中，可以觀察到，與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)元，在接下來的睡眠事件中，通常會和慢波上升期進行同步化放電。這一實驗進一步證實了慢波振蕩和記憶重現(xiàn)地關(guān)系。記憶重現(xiàn)的表現(xiàn)基本上符合這樣的規(guī)律，即同步化增強，記憶增強。光遺傳地方法去抑制同步化，記憶也會削弱。事實上，目前研究大腦的方法，我們依然局限于技術(shù)，統(tǒng)計和概念上的偏差。我們試圖去研究和觀察我們比較容易去觀察和解析的，比如高群活動的周期，高放電神經(jīng)元和顯著的震蕩模式。一項原創(chuàng)性研究使用這些方法發(fā)現(xiàn)，一些非常稀少的，通常在前額葉被忽略的活動，在明顯的δ波的下降支，實際上在學(xué)習(xí)過程中是再激活的。

SWR和皮層的NREM睡眠模式在時相上是相互協(xié)調(diào)的，這一機制被認為可以促進可塑性和場景（事件）記憶的長期鞏固。海馬SWR的發(fā)生頻率在向皮層上下振蕩的轉(zhuǎn)換期和Spindle的波谷增加。用閉環(huán)系統(tǒng)來增強海馬和皮層的相關(guān)作用，生成一個SWR后的一個spindle復(fù)合體下降波，可以增加記憶任務(wù)中的表現(xiàn)。光遺傳的方法產(chǎn)生的人工spindle和海馬的慢波漣漪相協(xié)調(diào)也有增強記憶的作用，突出了“ripple-delta wave-spindle”復(fù)合體對鞏固記憶的重要性。而且，海馬慢波漣漪的尖峰部分可以預(yù)測接下來δ波的皮層放電，提示了海馬慢波漣漪在皮層信息再激活中的傾向。反過來，皮層放電也可以預(yù)測海馬CA1區(qū)的信息再激活，睡眠中的感覺刺激可以促進海馬信息的再現(xiàn)和加強記憶，這一現(xiàn)象叫做目標記憶再激活?？偨Y(jié)，所有證據(jù)表明，記憶的鞏固包含的環(huán)路有皮層傾向于記憶信息在海馬的再激活，反過來，海馬的再激活使新皮層的多模型相關(guān)信息再激活—這就是海馬和皮層相互協(xié)同在記憶鞏固中的基本觀點。

快速動眼睡眠和θ振蕩

盡管長期以來，對快速動眼睡眠的主要興趣在于它和人類的生動夢境有關(guān)，但是相對于非快速動眼睡眠的研究來講，相關(guān)的研究還是缺乏的。REM睡眠的腦電和局部場電位和清醒時的活動非常相似，所以在過去它叫做，“矛盾”的睡眠。實際上，REM睡眠主要是θ振蕩，以5-12赫茲為主。該波在海馬比較顯著，在皮層和皮層下結(jié)構(gòu)也可以記錄到。在清醒期，海馬的θ振蕩組織位置細胞放電的有序發(fā)放。θ波振蕩的精細時間調(diào)節(jié)，對于空間記憶的編碼和后續(xù)的鞏固至關(guān)重要，因為這些過程需要位置細胞在NREM睡眠時相再現(xiàn)。相對來講，很少研究集中在REM睡眠期和θ相關(guān)或者不相關(guān)的神經(jīng)元活動。在REM時期，θ波的頻率和幅度的快速增加，成為相位快速動眼時期，這個時期和整個海馬放電增加和皮層區(qū)的協(xié)調(diào)性有關(guān)。相位REM睡眠和來自腦干的枕骨波有關(guān)，被認為在REM睡眠中協(xié)調(diào)很多其他結(jié)構(gòu)。

目前未知，REM睡眠θ振蕩的特異性變化和行為學(xué)的關(guān)聯(lián)研究的非常少。然而，海馬的θ振蕩和前額葉、杏仁核在厭惡性學(xué)習(xí)后相互協(xié)調(diào)增強。利用光遺傳干擾內(nèi)側(cè)隔核來干擾REM睡眠中的θ波會損傷海馬相關(guān)的場景相關(guān)記憶。另外，海馬齒狀回區(qū)成年新生神經(jīng)元的活動改變，特別在REM時期，可以損傷場景恐懼記憶。雖然該操作并不影響θ振蕩，但是無論增強還是減弱放電均會損傷到記憶的鞏固，提示潛在的θ波節(jié)律的時間精細調(diào)節(jié)對新生神經(jīng)元放電的重要性。有報道也稱，REM睡眠的抑制會引起新生神經(jīng)元的輕微的突觸結(jié)構(gòu)改變，提示突觸功能減弱。這些結(jié)果進一步支持了以往的研究結(jié)果，即REM睡眠可以增強新皮層的樹突棘的選擇性增強和減弱。但是更多的工作需要進一步將特定放電的時相精細調(diào)節(jié)和REM睡眠中θ振蕩與已知神經(jīng)元的樹突棘突觸結(jié)構(gòu)的關(guān)系，甚至行為學(xué)輸出之間進行關(guān)聯(lián)起來，從而真正理解REM睡眠在學(xué)習(xí)記憶或者其他生理行為中的功能意義。

拋開海馬皮層談睡眠

根據(jù)兩步鞏固法和信息從海馬向皮層逐漸轉(zhuǎn)移的理論提供的強烈的概念框架，大部分的睡眠模式和記憶鞏固的研究集中在海馬和皮層之間的對話。然而，很多其他結(jié)構(gòu)在記憶的形成中也是參與的。海馬的SWR是非常強大的事件，可以同步化新皮層外的其他結(jié)構(gòu)，潛在的把其他成分中比如情緒基調(diào)關(guān)聯(lián)到不同形式記憶的鞏固中。例如在獎賞體驗后，獎賞定位的海馬位置細胞和獎賞編碼的腹側(cè)紋狀體神經(jīng)元在睡眠的SWR時相和海馬活動同步放電導(dǎo)致紋狀體激活。另外，背腹側(cè)海馬調(diào)節(jié)獎賞處理的另一個重要核團-伏隔核的細胞群是不同的。在基底外側(cè)杏仁核，價值編碼的主要中心，一類亞細胞群被海馬的SWR所調(diào)節(jié)。在厭惡空間記憶中，聯(lián)合海馬杏仁核的神經(jīng)元代表區(qū)，會在NREM期的SWR時相再現(xiàn)。這些結(jié)果提示，海馬的SWR可能是調(diào)節(jié)整個大腦范圍的調(diào)節(jié)器，允許跨越皮層的和分布在皮層外結(jié)構(gòu)的記憶痕跡得以形成。

睡眠節(jié)律和可塑性：鞏固和內(nèi)穩(wěn)態(tài)

學(xué)習(xí)被認為與赫布可塑性（Hebbian plasticity）和突觸增強有關(guān)。根據(jù)突觸穩(wěn)態(tài)假說，睡眠通過下調(diào)突觸重量從而防止飽和，進而允許在接下來的清醒時期新記憶的形成，在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中起著關(guān)鍵性作用。特別是，這個模型預(yù)示，突觸整體重量在清醒時增加； 在睡眠中減弱。盡管有突觸結(jié)構(gòu)和分子證據(jù)支持這一過程，但是在在體和實時衡量突觸結(jié)構(gòu)變化和強度依然很有難度。雖然皮層慢波活動起源于高度同步化的上下狀態(tài)，它們的幅度被認為反應(yīng)了皮層神經(jīng)元的突觸強度。相應(yīng)地，慢波振蕩在延長地清醒后最強，然后隨著增加的睡眠事件逐漸減弱。這一現(xiàn)象符合突觸穩(wěn)態(tài)假說。而且，皮層誘發(fā)電位的坡度變化-突觸效率的標記之一，和慢波活動的變化相關(guān)，提示了慢波可能持續(xù)對突觸進行降級。同時，在清晰和睡眠時期的放電動力學(xué)用于神經(jīng)興奮性的代表。和突觸穩(wěn)態(tài)假說模型比較契合的還有海馬細胞，作為一個群體，在清醒時期放電是逐漸增加。在睡眠期，整個神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的活動都是降低的，但是在不同的睡眠時相會有相反的趨勢，比如尖峰活動在NREM期明顯增加，在REM時期減弱。值得注意的是，REM時相放電下調(diào)可以通過spindle和SWR發(fā)生頻率來預(yù)測。最后，經(jīng)典NREM睡眠的SWR，長期被認為有助于通過長時程增強促進記憶的鞏固，同時也會觸發(fā)長時程抑制。而它們的抑制會阻止睡眠期誘發(fā)電位正常減弱，提示了睡眠和突觸可塑性在內(nèi)穩(wěn)態(tài)中的潛在相互作用。

展望

雖然描述起來簡單，睡眠和記憶之間的關(guān)系是個非常復(fù)雜的研究領(lǐng)域。首先，睡眠不是同質(zhì)化的，可以被分為幾個階段和通過不同的節(jié)律和模式分類的亞階段。其次，記憶有很多種（包括事件性、語義性、程序性、技能性和巴普洛夫條件性），這些不同類型的記憶依賴于不同的卻偶有重疊的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。他們表現(xiàn)出不同的睡眠模式。再者，事件記憶不是完全的真實反映實際事件的。事件記憶的形成，因此，包含信息的最初編碼，修正，和其他記憶整合，甚至遺忘。想象睡眠、記憶和參與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，我們?nèi)绾卧O(shè)計相關(guān)的基礎(chǔ)研究來揭示睡眠在記憶中所扮演的角色是我們面臨的挑戰(zhàn)。

在嚙齒類動物身上，NREM睡眠時相傳統(tǒng)地被研究為一個同質(zhì)化的時期。怎么鑒別出NREM特異的亞分期或者微階段，并找到潛在的和人類NREM的三個亞階段相匹配的分期，將是連接它們和各種記憶處理的不同方面到各種行為學(xué)水平的一個切入點。相位性和強直性REM睡眠在人類和其他種屬中都有待研究。同時，研究睡眠的不同模式可能比時期更可靠。閉環(huán)系統(tǒng)的發(fā)展和腦機接口界在對神經(jīng)元放電時的實時模式監(jiān)測，以及EEG或者LFP信號給領(lǐng)域內(nèi)理解睡眠模式在記憶形成過程中的作用有著非常重要的優(yōu)勢。雖然有著經(jīng)驗痕跡的位置細胞序列在接下來的SWR睡眠中會再激活。但是，沒有因果關(guān)系的證據(jù)表明位置細胞序列本身，對比短時間窗內(nèi)的位置細胞集群的少量激活而言，對記憶的鞏固是重要的。檢驗尖峰時間在模式中的重要性理論將需要更精確的實時工具，需要在不干擾特異神經(jīng)元放電的情況下，干擾在更廣時間維度的時間的精確度。反過來，驗證序列本身的相關(guān)性問題潛在的會重新定位領(lǐng)域就目前解碼算法未能識別的近乎80%的SWR相關(guān)的神經(jīng)元內(nèi)容。這些可能會是我們尚未能夠識別的重激活事件。根據(jù)該假設(shè)，SWR相關(guān)的高同步化事件的主要功能包括那些我們未解碼的，會促進各種記憶播放的鞏固。另外一個新出現(xiàn)的，更綜合的一個理論是：在睡眠中，皮層和海馬由于其生理特性和硬件連接包含的高度同步化活動，進入默認模式。這些模式可能主要用于內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡的目的。但是清醒活動和記憶編碼可能偏向于精確的放電時間，從而特殊的記憶痕跡從而得到鞏固。而清醒時期的活動會使這種偏向更強，在學(xué)習(xí)和新奇刺激后更持久，導(dǎo)致SWR時相的重現(xiàn)-噪音比更強。從這個角度，內(nèi)穩(wěn)態(tài)和鞏固在同一個維度，并強烈的依賴于神經(jīng)活動在經(jīng)典睡眠模式的精細時間。

最后，再激活，記憶鞏固的主要機制在腦結(jié)構(gòu)和睡眠時期方面并不普遍適用。目前內(nèi)穩(wěn)態(tài)在新皮層的研究很多，因此，更多的工作需要被精細的鑒定睡眠模式在非海馬皮層結(jié)構(gòu)參與的記憶處理過程中的作用。同時需要被進一步研究的是，鞏固和內(nèi)穩(wěn)態(tài)過程在其他結(jié)構(gòu)中不同的或者特別是那些未被檢測到睡眠再激活或放電率分布不同的結(jié)構(gòu)。這個方向尤其對高度復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比如腦橋、丘腦、下丘腦、籃斑和基質(zhì)前腦如何在睡眠的不同時期進行控制，以及轉(zhuǎn)換需要更多的關(guān)注和探索。

在日新月異出現(xiàn)的新的記錄方法和分析算法的激勵下，目前大部分研究者正在完成不同記憶類型和睡眠不同階段和亞階段的多維知識空間的機制研究進程中。雖然研究者們可能永遠無法達成一個統(tǒng)一的關(guān)于睡眠的記憶功能的理論，但是擴展和精細這些知識空間將允許我們更好的整合鞏固和內(nèi)穩(wěn)態(tài)，揭示記憶功能在記憶形成所有階段從編碼到重現(xiàn)的記憶鞏固所有過程的的新連接，并連接記憶法和睡眠的其他方面，比如記憶控制，節(jié)律和病理等。

原文鏈接：

http:///10.1126/science.abi8370