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睡眠与记忆的关系

2017/08/07 浏览次数:136

      想要好记忆,得有好睡眠。长期以来,人们知其然而不知其所以然。现在,科学家也许找到了其中的奥秘:当人进入深度睡眠时,大脑神经元会长出新的突触,加强神经元之间的联系,从而巩固和加强记忆。睡,是为了更好地学,不是浪费时间。进一步研究还表明,不是所有睡眠都对记忆重要。那么,睡眠与记忆到底有什么样的联系呢,我们汇总了Nature Neuroscience上的几项研究,或许从中能有所启示。



1
做梦是学习记忆的好帮手


 

      一直以来人们都很困惑:我们为什么会做梦呢?做梦到底有什么重要的作用?这个问题也被科学杂志评为未来一个世纪人类将要致力于解决的150个问题之一。北京大学深圳研究生院化学生物学与生物技术学院甘文标课题组利用最近建立起来的一系列活体成像手段成功地揭示了做梦睡眠的奥秘所在。

 

       他们通过检测小鼠做梦期间(睡眠的一个特殊阶段)神经元和其树突的活动发现,在该阶段有大量的电活动,而且该研究团队也通过各种巧妙的实验设计揭示了做梦期间这些树突电活动的重要性。他们发现这些树突电活动对于学习之后新形成的突触(记忆的物质储存结构基础)的消失和保存都具有极其重要的作用。这个看似矛盾的发现极其精准地阐述了做梦对于学习的重要性。

 

      在学习过程中会产生很多新的突触,但并不是所有的这些新形成的突触都可以保存下来,太多的突触会占用大脑大量的内存,而我们的大脑也像电脑一样是有一定容量的,并不能无限地往里面塞东西。而做梦恰到好处地处理了这个问题,它会快速地处理掉一部分并不重要的新突触让大脑腾出空间来学习其他的东西,与此同时它还会巧妙地加强和保存一小部分比较重要的突触。如此一来,大脑便通过睡眠期间做梦的这一小段特殊的窗口时期非常有效地解决了学习过程中要选择性地消除并保存一部分突触这个比较复杂的问题。 


2
睡眠可消除恐惧记忆



      最新研究显示,人们对于可怕事件的记忆可以在睡眠中被消除,这项研究的发现将为治疗恐惧类病症提供帮助。文章发表在近期的《Nature Neuroscience》杂志上。这项研究增加了我们对睡眠学习的了解,或许意味着我们能够深入研究如何治疗恐惧类病症比如创伤后应激障碍(PTSD)。

 

       Katherina Hauner等人让受试者在轻微电击与一种气味之间建立联系。他们发现,当受试者在晚些时候闻到这种气味时,会产生恐惧反应,研究人员通过受试者的流汗量来衡量其反应程度。但是,如果受试者在不经受电击的情况下再次闻到该气味,然后经过小憩后醒来,他们再次闻气味而产生的害怕反应就有所减轻。Hauner等人报告称,这种让人在睡眠过程中闻到该气味的方式能够改变由气味诱发的大脑杏仁核区域(该区域与人的害怕反应有关)的活动模式。

 

        虽然之前研究证明新的关联记忆能够在睡眠中形成,而这项最新研究则显示之前存在的记忆也可以在睡眠中被改变。既然此类害怕反应出现于各种恐惧、焦虑病症中,因而这项研究发现告诉我们:睡眠中暴露疗法或有望成为未来临床研究中的一种潜在研究手段。


3
在睡眠中改写记忆


       在科幻片《盗梦空间》中,男主角潜入他人梦境企图窃取商业机密并植入虚假记忆。Nature Neuroscience杂志发表的一项研究显示,在睡眠中植入虚假记忆并不是天方夜谭。

 

     法国国家科学研究中心(CNRS)的科学家们发现,小鼠能够回忆起睡着时建立的人造记忆。这项研究为人们展示了特定神经元(位置细胞)与空间定位的直接关联。位置细胞是大脑“内部GPS”的重要部分,其发现者John O’Keefe获得了2014年的诺贝尔生理/医学奖。

 

       “这项研究表明,在睡眠状态的潜意识中可以改写空间记忆,”纽约大学的神经学家György Buzsáki评论道。“这就像是一个奇迹。”

 

      在操纵记忆之前,CNRS的Karim Benchenane等人首先对小鼠海马体进行研究。他们鉴定了小鼠处于特定位置时激发的位置细胞,并记录了小鼠在这个位置花费的平均时间。随后,研究人员建立了一套特殊的系统。当上述位置细胞自发激活时(清醒状态或睡眠状态),脑-机接口就会自动对前脑内侧束(medial forebrainbundle)进行刺激。前脑内侧束与奖赏感知有关,刺激这一区域会导致多巴胺神经递质的释放,模拟小鼠获得食物或其他奖励时的情况。这项研究中的小鼠分为两组,一组小鼠在清醒时接受这种刺激,另一些小鼠则在睡眠时接受刺激。

 

        研究显示,将特定位置细胞与奖赏刺激关联起来,会使小鼠在相应位置多花五倍的时间。在睡眠期间建立这种关联,小鼠醒来后更倾向于直接跑到相应位置去。“动物有目的地跑到那个位置,就好像它们想起那里会有奖励一样,”Benchenane解释道。

 

      当动物清醒的时候,位置细胞激活与动物所处的位置有关。不过,人们此前还很难直接把位置细胞激活归功于动物大脑对具体地点的呈现。睡眠状态的大脑只是在进行回放和重温,Benchenane等人通过研究这一时期的位置细胞活性,将位置细胞激活与空间导航直接关联起来。这项研究也证明,睡眠状态下位置细胞激活传达的空间信息与清醒状态相同。与此一致的是,最近有研究表明空间记忆可以在睡眠时期得到加强。

 

      这是首次在睡眠状态成功操纵记忆,这项研究支持了一个上百年的观点:在大脑中植入错误的记忆是可行的。



参考文献

1、Li W, Ma L, Yang G, et al.REM sleep selectively prunes and maintains new synapses in development andlearning[J]. Nature neuroscience, 2017, 20(3): 427-437.

2、Hauner K K, Howard J D,Zelano C, et al. Stimulus-specific enhancement of fear extinction duringslow-wave sleep[J]. Nature neuroscience, 2013, 16(11): 1553-1555.

3、De Lavilléon G, Lacroix M M,Rondi-Reig L, et al. Explicit memory creation during sleep demonstrates acausal role of place cells in navigation[J]. Nature neuroscience, 2015, 18(4):493-495.

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