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tDCS电刺激篇,睡眠中如何增强记忆?

2018/03/29 浏览次数:125

数十年来,医学与神经科学在精神类疾病治疗上取得了很多突破性进展,比如说:用有创的DBS/深部脑刺激技术取代病灶切除手术来治疗癫痫,用无创的TMS/经颅磁刺激技术和tDCS/经颅直流电刺激技术,通过刺激大脑皮层来缓解抑郁症和精神分裂症患者的病情,反过来,临床上用于治病的技术,也可能被科学家搬进实验室,用于研究如何增强正常大脑的功能。

近年来,类似的研究屡见报端,例如:2014年美国Newsweek曾报道:Northwest大学研究人员用TMS增强正常人的记忆功能。2006年印度DNA(Daily News & Analysis)曾报道:德国Lubeck大学研究人员通过电刺激使正常人增强记忆。同年新华社也对做了相关报道:科普:睡眠时刺激大脑可能提高记忆力。

我的上一篇文章提到,1924年两位美国科学家发现睡眠能有效地减缓遗忘。经过多年的研究,科学家逐步将睡眠的抗遗忘功能与睡眠早期的慢波睡眠联系在一起,研究发现清醒时存储在海马内的短期记忆,在慢波睡眠中会逐步向长期记忆存储中心-新皮层转移,而睡眠当中新皮层-丘脑-海马的“交流对话”,即slow oscillation-spindle-sharp wave ripple同步振荡为此提供了实验依据。

本文便以 2006年德国Lubeck大学的科学家在国际顶级期刊nature发布了一篇了文章:睡眠中调节慢波振荡增强记忆 为例,阐述睡眠中增强记忆巩固的方法。

Question

先前的研究中作者发现,在大脑皮层施加微弱的delta直流电流刺激,能增强皮层的脑电振荡,而在慢波睡眠中,新皮层的慢波振荡以“从上到下”的方式驱动丘脑和海马同步活动,促进短期记忆向长期记忆不断转化。能否通过低频电刺激的方式,改变新皮层的慢波振荡,进而增强陈述性记忆巩固呢?

Part 1 实验设计


慢波睡眠中新皮层的慢波振荡频率为0.5-4Hz(delta波),主频率为0.7-0.8Hz,在学习后的慢波睡眠中,通过微弱电流刺激前额叶新皮层,改变新皮层的慢波振荡,探究慢波振荡改变与记忆巩固之间的联系。

Part 2 实验流程


医学生因为在学习中需要记忆很多知识的缘故,通常都有着出色的记忆能力,因此研究人员招募了一批医学生作为被试。实验分为刺激组和非刺激组,在研究人员的引导下,被试带上电极帽,睡前完成单词记忆任务(能用语言表达的)和程序性记忆任务(说不出但会做的),进入睡眠后第一个睡眠周期的慢波睡眠阶段,刺激组接受微弱的0.75Hz电流刺激(人体完全感受不到),而非刺激组则只带电极帽不施加电流刺激。早上被唤醒后,被试接受记忆提取测试,评价记忆结果。


Part 3 实验结果



陈述性记忆任务中,刺激组与非刺激组在睡眠觉醒后记忆单词数均增多,但刺激组表现更好(4.77>2.08),而程序性记忆任务中,两组被试没有表现出显著性差别。与非电刺激组相比,电刺激组在电刺激之后的1小时内,睡眠结构发生改变,慢波睡眠和REM睡眠均显著增多,而浅睡眠减少。功率谱分析显示:0.5-1Hz的慢波、8-12Hz的慢spindle能量均有不同程度提高,12-15Hz的快spindle能量则没有提升。

Part 4 实验结论


1.新皮层delta电刺激有效提升了海马依赖性的陈述性记忆,而与REM睡眠有关的程序性记忆,因其巩固不在慢波睡眠阶段进行,因此巩固没有得到增强。

2.新皮层delta电刺激有效增强了新皮层的慢波振荡,改变睡眠结构使慢波睡眠增多,加强了“新皮层-丘脑-海马”之间的交流对话,为慢波睡眠促进记忆巩固提供了实验依据。

3.慢波睡眠中新皮层的慢波振荡增强,会引发源自丘脑的spindle振荡也随之增强,致使海马内存储的短期记忆向皮层存储的长期记忆转化增强,这为slow oscillation-spindle同步振荡增强记忆巩固提供了实验依据。

而清醒和REM睡眠时新皮层振荡频率为4-8Hz(theta波),主频率为5Hz,能否通过theta电刺激改变慢波睡眠中新皮层的慢波振荡和REM睡眠中新皮层的theta振荡,进而增强记忆巩固呢?

2011年该研究团队又发表了另一篇文章,睡眠中theta电刺激抑制了记忆巩固。

在被试学习后的睡眠中,早期慢波睡眠和睡眠后期REM睡眠阶段,用5Hz的微弱电流刺激前额叶皮层,研究theta刺激对慢波睡眠和REM睡眠的影响。

陈述性记忆任务中,刺激组与非刺激组在睡眠觉醒后记忆单词数均增多,但刺激组表现更差(2.80<5.16),而程序性记忆任务中,两组被试没有表现出显著性差别。在慢波睡眠中,theta电刺激导致刺激当时睡眠结构发生显著改变,慢波睡眠显著减少,而浅睡眠显著增多。电刺激之后的1小时内,慢波睡眠和浅睡眠结构逐步恢复到正常。功率谱分析显示:受theta电刺激影响,slow oscillation和慢spindle能量均发生不同程度降低,而停止刺激之后的1小时内,慢波和慢spindle能量先代偿性升高,再逐渐恢复到正常水平。功率谱分析显示:REM睡眠中theta电刺激诱发gamma频段的能量提升,这与学习过程中新皮层theta-gamma耦合现象一致。慢波睡眠中theta电刺激显著抑制了新皮层的慢波振荡,使海马依赖性的陈述性记忆巩固变差,REM睡眠中theta电刺激对程序性记忆没有显著影响。

文章小结

在慢波睡眠中用tDCS在新皮层施加低频电刺激,能增强新皮层slow oscillation,增强陈述性记忆巩固,而theta电刺激,会削弱新皮层slow oscillation,抑制陈述性记忆巩固。

近年来国内外许多研究团队都在积极研发研tDCS设备,由波音和通用公司共同持股的 HRL Laboratories和美国加州Thync公司都曾研发出商用可穿戴tDCS设备,但略显遗憾的是,因其使用安全可靠性未能得到广泛验证,目前国内外tDCS设备均未能通过医疗认证,而个人DIY tDCS设备和商用tDCS设备也常因使用不当,造成使用者皮肤烧伤、暂时性视力丧失等安全问题,因此需要谨慎对待。

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