《科学》：睡眠是如何帮你巩固记忆的？

导语 / Introduction

睡眠对于包括记忆在内的健康认知活动起着重要的作用。在睡眠的两个主要阶段，快速眼动睡眠（REM）以及非快速眼动睡眠（NREM）中，通过表面以及颅内电极可以记录到具有代表性的电生理活动模式。这些神经活动形式包括在非眼动睡眠时的尖波涟漪（sharp-wave ripples，SWR）、皮质层慢波（cortical slow waves）、δ波（delta waves），睡眠纺锤波（spindles）以及快速眼动睡眠时的θ波（theta waves）。它们都反映着在时间上受到精准调控的神经元回路活动。在此，我们回顾了这些电信号特征是如何引导我们理解睡眠中维持记忆巩固的神经回路以及大脑活动过程，特别是海马区的θ波、尖波涟漪以及它们和皮质活动模式的配合。最后，我们关注到这些大脑模式如何支持睡眠的稳态维持过程，并为研究睡眠记忆功能提出了几个潜在的未来方向。

记忆的形成过程极具挑战性：新的经历需要被选择，然后被保存、整合到已有的记忆中；而已有的记忆结构则需要重新变更并不断更新。当我们清醒时，伴随着源源不断流入的新的感官经历，记忆在不断形成。而睡眠则为大脑提供了一个窗口，使其在没有外界大量信息输入的时候，可以整理和巩固新编码的记忆。记忆巩固（consolidation）过程会生成持续的记忆痕迹（memory trace）及印痕（engram）。在清醒状态下激活它们，让我们回忆（recall）起诸多被存储的信息。

在睡眠中，无数参与记忆处理的神经网络被内发性地激活。它们的活动引发的电势可以被非侵入性表面电极（EEG）以及颅内电极（可以同时记录到局部场电位[LFP]以及神经元放电[spking]）记录。已有大量研究致力于探究如何利用这些电信号的波动模式来理解大脑，其中包括振荡波，短时间但拥有可识别波形的电势以及神·经元放电模式。通过结合信号分析、脑结构数据以及对不同的具体的信号记录以及活动调控，我们对这些模式在细胞层面的原理有了更多的理解。这些进展将会带领我们理解睡眠中脑活动模式在学习和记忆中的功能。

论文：

Girardeau, Gabrielle, and Vítor Lopes-dos-Santos. "Brain neural patterns and the memory function of sleep." Science 374.6567 (2021): 560-564.

DOI：10.1126/science.abi8370

NREM睡眠和海马区尖波涟漪

睡眠中最重要的大脑模式之一就是尖波涟漪。海马区由三层结构组成，信息从齿状回（dentate gyrus）通过CA3区域流向CA1。在睡眠中，CA3区域的锥体细胞自发地同步短促放电，使得CA1区域锥体细胞大量被激活。在CA1放射层（stratum radiatum），来自CA3的信号输入产生尖波（sharp wave）；而在CA1神经元锥体层（pyramidal layer），锥体细胞以及中间神经元的相互作用产生了高频率的振荡波（100-250 Hz），也就是涟漪（ripple）。

记忆的两步理论（two-step theory）提出，在最开始的经历中，CA3以及CA1的部分神经元由θ波协调，形成细胞集群来编码新的信息；在紧接着的睡眠中，位于CA3区域的集群自发地引起尖波涟漪并激活CA1区域的集群，促进集群之间的连接强度，最终完成记忆的巩固。与这个理论相符的一个现象是，科学家发现，当动物在探索环境时同步发放的CA1神经元组合，在接下来的睡眠尖波涟漪中也会保持这种同步放电的关系。神经元在睡眠中延续清醒行为时的神经活动关联被称为睡眠再激活（sleep reactivation）。通过不同的研究方法，接下来的研究*证实了在清醒时的同步放电以及完整的位置细胞（place cell）激活序列都会在睡眠时的尖波涟漪中再次出现。重要的是，再激活现象也在人类研究中得到了证实**。

*注

*Pfeiffer, Brad E. "The content of hippocampal “replay”." Hippocampus 30.1 (2020): 6-18.

**Schreiner, Thomas, and Tobias Staudigl. "Electrophysiological signatures of memory reactivation in humans." Philosophical Transactions of the Royal Society B 375.1799 (2020): 20190293.

海马体和皮质活动模式在NREM睡眠期间协调以维持记忆巩固

Girardeau, Gabrielle, and Vítor Lopes-Dos-Santos. Science

对再激活和记忆巩固的第一个因果性研究采用了闭环实验范式*（closed-loop）对睡眠时的尖波涟漪以及与其相关联的再激活进行干扰，结果表明这一干扰对于空间记忆的影响极大*。在探索新环境的睡眠过程中，研究者通过光遗传抑制了CA1锥体细胞在尖波涟漪时的活动，发现当动物再次进入这个环境时，这些细胞集群的再激活受到了干扰。这意味着，记忆唤醒时的障碍源自于对维持记忆的空间地图（spatial map）以及记忆痕迹在巩固过程中的不足。有很多因素影响着睡眠尖波涟漪相关的再激活过程。比如说，在新奇的经历过后，CA1区域的再激活程度会更强，并且持续更长。当θ周期伴随着程度更强的中γ（50-100 Hz）振荡时发生的神经元放电更倾向于被囊括到再激活过程中；这表示在受到更强烈的内嗅皮层（entorhinal cortex）输入时——也就是获得了更多来自海马体外部脑区信息时——生成的细胞组群会被更多地再激活。CA2区域在尖波涟漪时会再激活社交记忆，加强或抑制再激活也被证实能够增强或者削弱社交记忆。这些研究结果表明**，CA3可能会使得尖波涟漪再激活细胞组群以巩固空间记忆，而CA2活动则会使尖波涟漪的内容偏向社交记忆。

*注

*Girardeau, Gabrielle, et al. "Selective suppression of hippocampal ripples impairs spatial memory." Nature neuroscience 12.10 (2009): 1222-1223.

**Ego‐Stengel, Valérie, and Matthew A. Wilson. "Disruption of ripple‐associated hippocampal activity during rest impairs spatial learning in the rat." Hippocampus 20.1 (2010): 1-10.

闭环实验范式

Girardeau, Gabrielle, and Vítor Lopes-Dos-Santos. Science

未来对于睡眠“重播”（sleep replay）的研究将要依赖于新算法的研发，以做到对重播活动内容进行快速、在线地检测，而不仅仅停留于基于LFP的涟漪捕捉。依据类似的思路，格里钦（Gridchyn）等研究者训练老鼠在两个环境中搜寻食物，而在后续的睡眠与休息中仅对与其中一个环境相关的尖波涟漪活动进行干扰；在未被干扰的环境中动物的行为表现更好，也就是说对于这个环境的记忆巩固没有受到干扰。综上，在睡眠尖波涟漪期间，对编码新信息及学习内容的海马体神经集合的重新激活，在记忆的巩固中起着至关重要的作用。腹侧海马体与背侧海马体拥有不同脑区链接，并参与压力和焦虑相关功能；然而，我们依然不是十分清楚腹侧海马体是否也有一样的重新激活模式。除此之外，在NREM时能够反映强皮质信息输入的齿状回区域放电也可能参与记忆巩固的过程，但其作用还有待进一步研究。

海马-皮层在NREM睡眠中的协调配合

关于长时间记忆巩固的主要学说都包括海马体和大脑皮层的交流*。在NREM睡眠时，皮层中交替进行着高和低程度的群体活动，也就是上下状态（up and down states）。这种交替在LFP中体现为NREM阶段的慢波震荡（slow oscillation）。其中，下降状态被联系到LFP中的δ波。δ波之后通常紧随着来源自丘脑的10-15Hz的纺锤波（spindles）。这些皮质层的振荡节奏，以及它们与其它海马和皮层活动的配合，都被关联到记忆巩固的过程中。

*注

Girardeau, Gabrielle, and Vítor Lopes-Dos-Santos. "Brain neural patterns and the memory function of sleep." Science 374.6567 (2021): 560-564.

人体中的经颅磁刺激（transcranial stimulation）能够加强NREM的慢波振荡，且能够提高次日记忆检索的表现。很多EEG的相关性研究也强调了慢波以及纺锤波对于记忆巩固的重要性。当动物通过自我调节一组神经元的放电以操控一个奖励输送装置，参与任务的神经元在睡眠中的上升状态时会同步放电；行为时的表现水平能够被这种同步性预测，也会因为在上升状态期间光遗传对神经元活动的抑制而受损。多数的研究都更加关注于上升状态，也就是活动更多的状态，而忽略安静的下降状态；的确，我们对大脑的研究中存在来自于技术手段，统计学方法，以及概念方面的偏差——我们更倾向于关注我们能够记录并且解码的活动，也就是神经元集体活动程度较高的阶段，放电率高的神经元，或是明显的震荡模式。当留意到这些偏狭并且找到应变方法时，科学家发现，在前额叶中，下降状态中一些非常稀少而经常被忽视的神经元活动其实也在重新播放学习过程中激活的神经元集合。

体内平衡和记忆巩固可能在唤醒-睡眠周期中并行发生。

Girardeau, Gabrielle, and Vítor Lopes-Dos-Santos. Science

SWR以及皮层NREM睡眠时的活动模式在时间上紧密配合，这也被认为在促进可塑性以及巩固长时情景记忆中扮演重要角色。当皮层处于上升和下降状态的过渡阶段，以及纺锤波的波谷时，海马区的SWR会出现的更加频繁；SWR期间相互配合的重新激活也会在海马以及多个皮层区域出现。通过闭环系统在SWR之后紧接着激发一个下降状态-纺锤波复合体也被证实的确可以促进记忆；用光遗传生成与海马区SWR以及皮质慢波相对应的纺锤波也能够改善记忆；这些都表明涟漪-δ-纺锤波这三种模式的配合对记忆巩固十分重要。此外，海马区SWR的放电信息能够预测皮质在δ波时的活动，由此显示海马SWR能够使皮质重新激活的内容产生一定倾向。皮质层放电活动也能够预测CA1重新激活的内容，而睡眠期间的感官刺激也能影响海马再激活的过程，并增强记忆；这个过程被叫做定向记忆再激活（targeted memory activation）。以上发现表明，记忆巩固包括了在皮质区域和海马区的循环——皮质区域影响海马区SWR再激活记忆的选择，而海马区的再激活则激发大脑皮层中相关联的不同模式的信息表征。

海马-皮层之外的脑内对话

由于记忆的两步理论以及大家普遍认为信息和记忆由海马体逐渐转移到大脑皮层区域提供了强有力的理论框架，所以，大部分关于睡眠阶段脑活动以及记忆巩固的研究都关注于海马-皮层的对话。然而，还有很多其他脑结构也参与了记忆的形成。SWR也可以影响到皮层以外的其它结构，使他们产生同步的活动，在不同功能之间建立联系，例如情绪或者不同形式的记忆。例如，编码奖励的海马位置细胞和腹侧纹状体（ventral striatum）细胞在睡眠SWR时同步放电，其中海马区略提前于纹状体活动；腹侧和背侧海马区域的SWR在参与奖励相关编码的伏核（nuclues accumbens）区域调节着不同细胞群体的活动。在参与效价（valence）编码的基底外侧杏仁核（basolateral amygdala）也有部分神经元受到SWR的调控。在一个不好的空间经历时海马-杏仁核区域的共同活动模式，在接下来的NREM阶段，特别是在SWR阶段，也被再次重播。这些研究结果显示海马区的SWR可能作为全脑范围内可塑性相关神经活动或再激活的统筹者，使得在不同的皮层以及非皮层区域，分散生成记忆印痕。

- Nick Matej -

快速眼动睡眠以及θ振荡

尽管长期以来，我们对与做梦相关的REM睡眠拥有浓厚兴趣，但REM睡眠的生理功能的研究相比NREM睡眠来说还是较少。REM睡眠期间的EEG与LFP信号与清醒时高度相似；REM睡眠原本得名“异相睡眠”（paradoxical dream）也就是这个原因。在REM期间最明显的振荡就是θ振荡，它的范围在5-12 Hz之间，在海马区域最为明显，但也可以在皮层以及其它皮层下组织记录到。在清醒的时候，海马区θ波能组织位置细胞顺序性地放电。θ波对海马位置细胞放电时间和顺序的精准控制，在记忆的编码以及后续NREM睡眠SWR中对空间记忆的再次激活以及巩固非常重要。

然而，仅有少数研究关注于REM睡眠中细胞活动的结构，或者它们是否和θ振荡相关。阶段性REM（phasic REM），也就是在REM期间短暂的θ频率以及强度的增加，与海马区细胞放电频率的增加以及海马-皮层协调水平的增强相关；它也与从脑干出发的ponto-geniculo-occipital波（PGO 波）相关，且在REM睡眠中参与多个脑区的协调工作。

直到现在，我们依然不清楚REM睡眠期间θ动态的种种变化与行为之间的关系。但是，在厌恶型学习（aversive learning）过后，海马、内侧前额叶皮质（mPFC）以及杏仁核θ波一致性（coherence）的增强与行为表现相关。通过光遗传在REM期间刺激内侧隔阂（medial septum）以干扰θ波会削弱基于海马的情景记忆巩固。此外，在REM阶段改变成年后诞生的齿状回区域细胞的活动也会干扰恐惧记忆的巩固；虽然这个试验方法并没有影响θ本身，但是仅仅以增加或降低细胞放电频率就可以影响记忆巩固，意味着新生神经元活动在时间上的精确性（很可能是与θ步调一致）非常重要。另外，在REM睡眠期间抑制新生神经元的活动将造成轻微的结构上的改变，突触的连接强度会被削弱。这些发现以及更早前的发现一同证明了REM睡眠能够促进皮层中的树突棘选择性的增强或者抑制。我们仍需要更多的研究来连接REM睡眠中精准的放电时间结构以及θ振荡与观察到的在一些神经元组群中存在的结构性变化，并且把它们和动物的行为进行联系。

- Heitor OHAS -

睡眠振荡以及可塑性：

记忆巩固和平衡维持

学习与赫布可塑性（Hebbian plasticity）以及突触增强（synaptic potentiation）相关。根据突触平衡假说（synaptic homeostasis hypothesis，SHY），睡眠过程会降低突触连接强度，以避免连接的饱和，并允许在接下来的清醒经历中仍能形成新的记忆。更具体来说，这个假说预测整体的突触连接强度在清醒时增加，而在睡眠时降低。对以上假说，尽管在结构以及分子层面有一些证据，但在体实验中测量突触强度以及结构的变化是非常困难的。由于皮层的慢波活动源于上升和下降状态时高度同步的神经元活动，慢波的振幅被认为能够反映皮层中神经元之间的突触连接强度。相应的，慢波在持续的清醒之后达到最强，而在睡眠中逐渐减弱。

此外，皮层中诱发电位（evoked potential）的斜率变化——通常作为突触效力的一种标记—也与慢波活动的变化相关；这表明慢波很可能参与突触削弱的过程。在清醒和睡眠中神经元放电率的动态变化可以反映神经元的兴奋性。对应SHY模型，海马区的神经细胞整体在清醒阶段逐渐增加放电率。在睡眠中，放电率整体降低，但在不同的睡眠阶段有不同的趋势：在NREM中整体放电活动增加，而在REM中则有显著降低。值得注意的是，REM中放电频率的降低可以被在NREM中的纺锤波以及SWR预测。

最后，虽然通常被认为通过长时程突触增强而有助于记忆巩固，也能激发长时程突触抑制；抑制SWR能够避免睡眠过程中激发电位的削弱，表明SWR及睡眠在维持突触强度平衡中的作用。

- Nick Matej -

作者观点

尽管听起来很简单，理解睡眠和记忆之间的关系其实需要非常复杂的研究。首先，睡眠并不是一个一致性的过程，它拥有不同的阶段，不同的阶段拥有不同的振荡频率以及活动模式。第二，记忆存在多种形式（情景记忆，程序、技能记忆，条件反射等）；不同的记忆依赖于不同（但很多时候有重叠的）的大脑结构网络，在睡眠中也展现出不同的模式。此外，情景记忆并不是对于现实发生事件的完整以及真实的表征。因此情景记忆包括了最初对信息的编码、改编、与其他记忆的合并，甚至是遗忘。在如此复杂的睡眠、记忆以及参与其中的脑结构面前，我们如何设计研究来理解睡眠在记忆方面的作用呢？

在啮齿类动物中，NREM睡眠传统上一般作为一个均一的过程来研究。进一步描述NREM不同阶段（或极短暂的状态）的特征，类似于人类NREM睡眠的三个阶段，可能将睡眠阶段与记忆的不同方面乃至行为层面连接起来。在人以及其他物种中阶段性的和持续的REM睡眠的作用仍有待研究。同时，也有大脑活动模式功能的研究跳脱通常定义的睡眠阶段的限制。的确，在同一个睡眠阶段中可能存在多种大脑活动的进程，而通过具体的神经活动模式而不是睡眠阶段能更准确地识别它们。闭环系统以及脑机交互能够实时的检测到神经元放电以及在EEG或者LFP中的模式，能帮助我们更好的理解睡眠如何参与到记忆的形成过程中。

在SWR中位置细胞会以清醒经历时的活动顺序放电，但至今我们仍然没有因果性证据能证明是顺序放电，而不是位置细胞组群在短时间内的重新激活，对记忆巩固十分重要。证实细胞放电在时间上需要保持一定模式，需要更加精确的实时性工具来干扰或者施加具体神经元之间活动时间的关系，而同时在长时间范围上不改变它们的放电频率。澄清顺序放电到底是否重要，也可能帮助我们重新关注到近80%的SWRs，这些SWRs的相关神经元内容无法被当前的解码算法识别为具有统计意义的序列。这些重新激活可能被下游信号接收者以一种我们目前还不理解的方式接收，或者是对于一些实验者不知道的更遥远的记忆的重新激活。基于这个假设，SWR相关的高度同步性的重新激活，包括我们还无法解码的再激活活动，它们的主要功能是通过重新播放记忆而促进记忆巩固。

另一个最近出现的假设认为，在睡眠中，皮层和海马进入一种由它们的生理结构和连接结构所决定的默认模式，包括阶段性的增强以及同步性的活动（SWR及上升状态）。这些模式主要起到一种稳态维持作用，但清醒过程中的经历会使原本随机的细胞放电时间产生一些改变，这样具体的一些记忆就被巩固下来；这种细胞放电时间倾向的改变在新奇经历或者学习经历之后会更加强烈，持续时间也会更久，导致在在SWR中重播比杂音的比值会更高。基于这种观点，稳态维持以及记忆巩固都基于相同的机制，同时依赖于内嵌在普通睡眠模式中的神经活动的时间精确性。

最后一点，重新激活作为目前理解的记忆巩固的主要机制，在不同的大脑结构以及睡眠的不同阶段中并不一致；稳态维持的研究则大多是是基于皮层。因此，更多的研究需要关注到非海马和皮层但参与记忆形成的脑区（如杏仁核，纹状体）的睡眠活动模式。有一种可能性是（有待研究），在一些识别不到睡眠重新激活，或者是在各种大脑状态时有更加不同的神经元放电率的脑区中，记忆巩固以及稳态维持的过程有不一样的形式，或者是完全不存在。这一研究方向对于一些参与睡眠阶段控制和过渡的高度复杂的结构网络，例如脑桥，丘脑，下丘脑，蓝斑核，和基底前脑等格外有趣。就像记忆巩固和稳态维持很可能紧密相连，睡眠阶段的控制机制和它们的作用也可能产生连接。

新兴的、在时空上更加精确的信号记录、操控以及分析技术推动我们逐渐完成一个更高维度的“知识空间”，其中包括不同种类记忆，不同睡眠阶段以及它们相关的各种生理模式的机理。虽然到最后，我们也不会在睡眠的记忆功能上达成一个统一的理论。但不断扩大和精确这个“知识空间”能够让我们更好地整合记忆巩固和稳态维持的作用，理解从记忆编码到提取到巩固的过程，并且将睡眠的记忆机制与睡眠控制，昼夜节律，以及病理方面连接。

编译：Can Liu | 校对、编辑：司影

封面：Nick Matej | 排版：光影

原文：

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7611961/

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