『珍藏版』Science综述｜睡眠大脑的记忆调控

帮5买 · 发表于: 2022-5-2 12:34:48

源自：BioArt

⊙作者：姜红　责编：酶美

　　睡眠是人类和动物王国的基础生理活动。我们的身体可以是处于静止的、不动的，但是大脑却是可以十分活跃。哲学家把大脑的状态分成四个阶段：清醒（Awakening），睡眠（Sleep），沉睡（Slumber）和最高境界（Supreme）。睡眠是有多重要呢，文艺复兴时期著名的戏剧家和作家威廉莎士比亚就有经典的美妙地关于睡眠的台词：

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　　我们为什么每天需要躺下，失去意识几个小时进行休整？睡眠的作用到底是什么？如果不睡会造成什么影响？近十年来，得益于技术手段的进步，在理解睡眠和解决睡眠障碍等诸多睡眠大脑相关的问题上都有了很多突破，包括从微观的分子机制，到宏观的网络层次，使我们越来越靠近理解睡眠的真相。在现代社会，睡眠对身体和精神卫生健康的重要性往往是被低估的（996工作机制的危险性问题？）：实验动物学的研究也表明睡眠不足导致认知能力下降；在一项美国社区研究中所记录的大量睡眠剥夺的案例，平均睡眠时间只有6.1个小时，而专家建议成人睡眠时间为7到9个小时。在发展中国家和发达国家的贫困人口中，睡眠的平均时间和睡眠质量也是低的。这就表明，睡眠问题不仅仅是关系生理健康的问题，也是关系到经济发展和社会民生问题。
　　2021年底，Science专栏将焦点聚焦在睡眠的研究上，睡眠领域专家撰写的最新关于睡眠与学习记忆、镇静以及睡眠的诱因和结果上下游关系的综述。本文就针对睡眠和学习记忆的一篇综述进行总结Brain neural patterns and the memory function of sleep，以期给读者一个直观的认识和回顾。

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　　睡眠对包括记忆在内的良好认知至关重要。常用的记录睡眠的方法主要有两种：经皮和颅内电极植入的电生理记录。根据其电生理特征，睡眠分为两个时相：快速动眼睡眠（REM）和非快速动眼时期（NREM）。用于辨别二者的主要特征为：非快速动眼睡眠表现出Sharp-wave ripples （海马尖波涟漪），Cortical slow oscillations （皮层慢波振荡），δ 波和Spindles等特征；REM睡眠主要以θ波振荡为主。不同特征的睡眠电特征精确地反应了潜在神经环路的时相活动。这篇综述，作者（Gabrielle Girardeau，法国国立卫生研究院、索邦大学的独立课题组组长）主要回顾了这些电的特征如何指导我们理解和认识睡眠在记忆巩固的环路机制中发挥的作用和发生机制。特别关注了海马θ波振荡和Sharp-wave ripples以及他们是如何协调皮层模式的。最后强调了这些脑电活动模式在保持睡眠内稳态的作用，并展望了睡眠参与记忆相关学习巩固的未来亟待研究的问题和挑战。
　　记忆的形成过程实际上对大脑是个面临挑战的过程，大脑要决定哪些新的体验可以被储存以及整合到已有的记忆里，从而得以持续和较正。记忆形成于清醒状态下，连续的新的感觉体验。睡眠之后给大脑提供一个机会窗口，即在没有外部刺激的干扰下，去分类和增强新编码的记忆。这个过程就叫做记忆的巩固，进而促进长期记忆的产生或者记忆痕迹（Memory engram，这个过程在清醒时期用以支持信息的再提取）的形成。
　　在睡眠过程中，参与记忆处理的神经网络金字塔是被内源性激活的。这些活动可以通过非创伤性表面电极记录（EEG）或者颅内电极记录局部场电位（LFP）以及尖峰电位。大量的研究表明这些记录到的睡眠中的电振荡模式对于理解大脑的工作原理很有帮助，这些电信号包括：振荡（比如θ波），可识别波形的瞬间电位（比如树突电位），和尖峰电位放电活动类型（上下状态）。下面就从几个方面讨论这些电信号在睡眠大脑是如何参与学习和记忆中扮演的角色。

非快速动眼睡眠和海马尖波涟漪（SWR）
　　海马具有三个层面的结构，信息流从齿状回（DG）经过CA3到达CA1，睡眠中重要的一个类型是尖波涟漪复合体（见图一的Ripples）。在睡眠中，CA3的锥体神经元自发性兴奋，发放同步的簇状放电。这一活动激活大量的CA1区的锥体神经元。在辐射层，CA3的树突收到的输入信息产生尖波。同时在CA1区域，激活的锥体细胞和中间神经元的交互活动会产生快速的振荡事件（200Hz）：涟漪。关于这些电信号参与记忆巩固的过程，目前存在两步法理论假说：第一，CA3和CA1的亚细胞群在某次经历中已经通过θ振荡协同起来，并形成编码相关新信息的细胞组合。这些组合的CA3细胞在接下来的睡眠时期就通过SWR期重新激活CA1整合的细胞群，从而使CA1 和CA3间的连接加强，最终导致记忆的巩固。和这个理论比较契合地几个现象包括：在旷场实验的探索中同步放电的多对CA1锥体细胞会在睡眠SWR时相中保持关联。在清醒时期活动关联的持续性在接下来的睡眠中通常被认为会重现（Replay）；利用大量的方法和手段，类似的现象也存在于共放电模式和位置细胞在清醒中激活，在睡眠SWR中重现。更重要地是，人类也存在类似的现象。
　　最早为了研究重现与记忆巩固的关联，研究者开发了闭环模式系统（图二），干扰睡眠涟漪，发现空间记忆受到明显损伤。在旷场探索之后，光遗传学手段在睡眠SWR时相抑制CA1 区的锥体细胞严重损害这些细胞集群的重现。这些结果说明空间记忆重现的缺失是由于缺乏空间地图的巩固或者记忆痕迹的形成。其中影响SWR相关的重现有很多因素，新奇刺激就是其中一种。

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　　虽然大部分SWR和再激活研究聚焦在CA1区。然而社交记忆痕迹在SWR时相的CA2会再激活，以及CA2的再激活在社交记忆的增强和减弱方面具有双向调节。这些结果表明，CA3～CA1可能更倾向于SWR再激活的整合，对巩固空间记忆有帮助。CA2可能对SWR时相在社交记忆方面更倾向。
　　相对于有限的局部电位涟漪观察，算法的发展在快速在线监测，特别是在重现内容方面，必将对睡眠重现的理解有极大的帮助。关于这一点的应用，Gridchyn et al。，训练了大鼠在两个不同的环境中觅食，并干扰了接下来的睡眠和静息态的SWR事件，但不影响在第一个环境中再激活的部分。结果发现大鼠在不被感染的环境中的表现比第二个更好，提示了在第一个环境中的空间记忆的巩固没有被打断从而得以保留。总之，过去几十年积累的结果提示海马信息整合的再激活和新鲜信息有关联。睡眠SWR期的学习对记忆巩固很关键。但是，令人惊讶的是，海马的再激活是否也存在于海马的腹侧部分还是未知的。腹侧海马的大脑连接和背侧不同，主要与焦虑和应激相关。另外，在非快速动眼期，海马齿状回的尖峰放电，反应了强烈的皮层到齿状回的输入，被认为和NREM的巩固过程有关，但还有待继续研究。

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海马-皮层的协同通过非快速动眼时期的睡眠模式实现
　　大部分关于长期记忆巩固的主要理论包括海马和新皮层的相互交流。在NREM睡眠期间，皮层环路经历了高低集群放电的时相交替。这些改变转变为NREM时期局部场电位的经典慢振荡。特别是，下降支和显著的LFP偏转有关，叫做δ波。δ波经常伴随spindles，来自丘脑的大约10-15赫兹振荡。所有这些皮层节律，大部分通过和其他海马和皮层模式的相互协调，参与到记忆的巩固。
　　人类的经颅刺激可以用于在NREM期间促进慢波振荡。这样的操作有助于第二天的记忆重获。大量的和EEG相关的研究表明，慢波和spindle在记忆巩固中的作用。在啮齿类动物的脑机接口的一个实验中，非常有趣地发现动物通过训练可以控制奖赏设备，自我调控预先指定的神经元的放电。在这一操作中，可以观察到，与任务相关的神经元，在接下来的睡眠事件中，通常会和慢波上升期进行同步化放电。这一实验进一步证实了慢波振荡和记忆重现地关系。记忆重现的表现基本上符合这样的规律，即同步化增强，记忆增强。光遗传地方法去抑制同步化，记忆也会削弱。事实上，目前研究大脑的方法，我们依然局限于技术，统计和概念上的偏差。我们试图去研究和观察我们比较容易去观察和解析的，比如高群活动的周期，高放电神经元和显著的震荡模式。一项原创性研究使用这些方法发现，一些非常稀少的，通常在前额叶被忽略的活动，在明显的δ波的下降支，实际上在学习过程中是再激活的。
　　SWR和皮层的NREM睡眠模式在时相上是相互协调的，这一机制被认为可以促进可塑性和场景（事件）记忆的长期巩固。海马SWR的发生频率在向皮层上下振荡的转换期和Spindle的波谷增加。用闭环系统来增强海马和皮层的相关作用，生成一个SWR后的一个spindle复合体下降波，可以增加记忆任务中的表现。光遗传的方法产生的人工spindle和海马的慢波涟漪相协调也有增强记忆的作用，突出了“ripple-delta wave-spindle”复合体对巩固记忆的重要性。而且，海马慢波涟漪的尖峰部分可以预测接下来δ波的皮层放电，提示了海马慢波涟漪在皮层信息再激活中的倾向。反过来，皮层放电也可以预测海马CA1区的信息再激活，睡眠中的感觉刺激可以促进海马信息的再现和加强记忆，这一现象叫做目标记忆再激活。总结，所有证据表明，记忆的巩固包含的环路有皮层倾向于记忆信息在海马的再激活，反过来，海马的再激活使新皮层的多模型相关信息再激活—这就是海马和皮层相互协同在记忆巩固中的基本观点。

快速动眼睡眠和θ振荡
　　尽管长期以来，对快速动眼睡眠的主要兴趣在于它和人类的生动梦境有关，但是相对于非快速动眼睡眠的研究来讲，相关的研究还是缺乏的。REM睡眠的脑电和局部场电位和清醒时的活动非常相似，所以在过去它叫做，“矛盾”的睡眠。实际上，REM睡眠主要是θ振荡，以5-12赫兹为主。该波在海马比较显著，在皮层和皮层下结构也可以记录到。在清醒期，海马的θ振荡组织位置细胞放电的有序发放。θ波振荡的精细时间调节，对于空间记忆的编码和后续的巩固至关重要，因为这些过程需要位置细胞在NREM睡眠时相再现。相对来讲，很少研究集中在REM睡眠期和θ相关或者不相关的神经元活动。在REM时期，θ波的频率和幅度的快速增加，成为相位快速动眼时期，这个时期和整个海马放电增加和皮层区的协调性有关。相位REM睡眠和来自脑干的枕骨波有关，被认为在REM睡眠中协调很多其他结构。
　　目前未知，REM睡眠θ振荡的特异性变化和行为学的关联研究的非常少。然而，海马的θ振荡和前额叶、杏仁核在厌恶性学习后相互协调增强。利用光遗传干扰内侧隔核来干扰REM睡眠中的θ波会损伤海马相关的场景相关记忆。另外，海马齿状回区成年新生神经元的活动改变，特别在REM时期，可以损伤场景恐惧记忆。虽然该操作并不影响θ振荡，但是无论增强还是减弱放电均会损伤到记忆的巩固，提示潜在的θ波节律的时间精细调节对新生神经元放电的重要性。有报道也称，REM睡眠的抑制会引起新生神经元的轻微的突触结构改变，提示突触功能减弱。这些结果进一步支持了以往的研究结果，即REM睡眠可以增强新皮层的树突棘的选择性增强和减弱。但是更多的工作需要进一步将特定放电的时相精细调节和REM睡眠中θ振荡与已知神经元的树突棘突触结构的关系，甚至行为学输出之间进行关联起来，从而真正理解REM睡眠在学习记忆或者其他生理行为中的功能意义。

抛开海马皮层谈睡眠
　　根据两步巩固法和信息从海马向皮层逐渐转移的理论提供的强烈的概念框架，大部分的睡眠模式和记忆巩固的研究集中在海马和皮层之间的对话。然而，很多其他结构在记忆的形成中也是参与的。海马的SWR是非常强大的事件，可以同步化新皮层外的其他结构，潜在的把其他成分中比如情绪基调关联到不同形式记忆的巩固中。例如在奖赏体验后，奖赏定位的海马位置细胞和奖赏编码的腹侧纹状体神经元在睡眠的SWR时相和海马活动同步放电导致纹状体激活。另外，背腹侧海马调节奖赏处理的另一个重要核团-伏隔核的细胞群是不同的。在基底外侧杏仁核，价值编码的主要中心，一类亚细胞群被海马的SWR所调节。在厌恶空间记忆中，联合海马杏仁核的神经元代表区，会在NREM期的SWR时相再现。这些结果提示，海马的SWR可能是调节整个大脑范围的调节器，允许跨越皮层的和分布在皮层外结构的记忆痕迹得以形成。

睡眠节律和可塑性：巩固和内稳态
　　学习被认为与赫布可塑性（Hebbian plasticity）和突触增强有关。根据突触稳态假说，睡眠通过下调突触重量从而防止饱和，进而允许在接下来的清醒时期新记忆的形成，在稳态调节中起着关键性作用。特别是，这个模型预示，突触整体重量在清醒时增加；在睡眠中减弱。尽管有突触结构和分子证据支持这一过程，但是在在体和实时衡量突触结构变化和强度依然很有难度。虽然皮层慢波活动起源于高度同步化的上下状态，它们的幅度被认为反应了皮层神经元的突触强度。相应地，慢波振荡在延长地清醒后最强，然后随着增加的睡眠事件逐渐减弱。这一现象符合突触稳态假说。而且，皮层诱发电位的坡度变化-突触效率的标记之一，和慢波活动的变化相关，提示了慢波可能持续对突触进行降级。同时，在清晰和睡眠时期的放电动力学用于神经兴奋性的代表。和突触稳态假说模型比较契合的还有海马细胞，作为一个群体，在清醒时期放电是逐渐增加。在睡眠期，整个神经元网络的活动都是降低的，但是在不同的睡眠时相会有相反的趋势，比如尖峰活动在NREM期明显增加，在REM时期减弱。值得注意的是，REM时相放电下调可以通过spindle和SWR发生频率来预测。最后，经典NREM睡眠的SWR，长期被认为有助于通过长时程增强促进记忆的巩固，同时也会触发长时程抑制。而它们的抑制会阻止睡眠期诱发电位正常减弱，提示了睡眠和突触可塑性在内稳态中的潜在相互作用。

展望
　　虽然描述起来简单，睡眠和记忆之间的关系是个非常复杂的研究领域。首先，睡眠不是同质化的，可以被分为几个阶段和通过不同的节律和模式分类的亚阶段。其次，记忆有很多种（包括事件性、语义性、程序性、技能性和巴普洛夫条件性），这些不同类型的记忆依赖于不同的却偶有重叠的结构网络。他们表现出不同的睡眠模式。再者，事件记忆不是完全的真实反映实际事件的。事件记忆的形成，因此，包含信息的最初编码，修正，和其他记忆整合，甚至遗忘。想象睡眠、记忆和参与结构的复杂性，我们如何设计相关的基础研究来揭示睡眠在记忆中所扮演的角色是我们面临的挑战。
　　在啮齿类动物身上，NREM睡眠时相传统地被研究为一个同质化的时期。怎么鉴别出NREM特异的亚分期或者微阶段，并找到潜在的和人类NREM的三个亚阶段相匹配的分期，将是连接它们和各种记忆处理的不同方面到各种行为学水平的一个切入点。相位性和强直性REM睡眠在人类和其他种属中都有待研究。同时，研究睡眠的不同模式可能比时期更可靠。闭环系统的发展和脑机接口界在对神经元放电时的实时模式监测，以及EEG或者LFP信号给领域内理解睡眠模式在记忆形成过程中的作用有着非常重要的优势。虽然有着经验痕迹的位置细胞序列在接下来的SWR睡眠中会再激活。但是，没有因果关系的证据表明位置细胞序列本身，对比短时间窗内的位置细胞集群的少量激活而言，对记忆的巩固是重要的。检验尖峰时间在模式中的重要性理论将需要更精确的实时工具，需要在不干扰特异神经元放电的情况下，干扰在更广时间维度的时间的精确度。反过来，验证序列本身的相关性问题潜在的会重新定位领域就目前解码算法未能识别的近乎80%的SWR相关的神经元内容。这些可能会是我们尚未能够识别的重激活事件。根据该假设，SWR相关的高同步化事件的主要功能包括那些我们未解码的，会促进各种记忆播放的巩固。另外一个新出现的，更综合的一个理论是：在睡眠中，皮层和海马由于其生理特性和硬件连接包含的高度同步化活动，进入默认模式。这些模式可能主要用于内稳态平衡的目的。但是清醒活动和记忆编码可能偏向于精确的放电时间，从而特殊的记忆痕迹从而得到巩固。而清醒时期的活动会使这种偏向更强，在学习和新奇刺激后更持久，导致SWR时相的重现-噪音比更强。从这个角度，内稳态和巩固在同一个维度，并强烈的依赖于神经活动在经典睡眠模式的精细时间。
　　最后，再激活，记忆巩固的主要机制在脑结构和睡眠时期方面并不普遍适用。目前内稳态在新皮层的研究很多，因此，更多的工作需要被精细的鉴定睡眠模式在非海马皮层结构参与的记忆处理过程中的作用。同时需要被进一步研究的是，巩固和内稳态过程在其他结构中不同的或者特别是那些未被检测到睡眠再激活或放电率分布不同的结构。这个方向尤其对高度复杂网络结构比如脑桥、丘脑、下丘脑、篮斑和基质前脑如何在睡眠的不同时期进行控制，以及转换需要更多的关注和探索。
　　在日新月异出现的新的记录方法和分析算法的激励下，目前大部分研究者正在完成不同记忆类型和睡眠不同阶段和亚阶段的多维知识空间的机制研究进程中。虽然研究者们可能永远无法达成一个统一的关于睡眠的记忆功能的理论，但是扩展和精细这些知识空间将允许我们更好的整合巩固和内稳态，揭示记忆功能在记忆形成所有阶段从编码到重现的记忆巩固所有过程的的新连接，并连接记忆法和睡眠的其他方面，比如记忆控制，节律和病理等。
　　http://doi.org/10.1126/science.abi8370

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