大脑中有一组“铅笔”和“橡皮擦”，在我们睡眠时有选择地强化或消除记忆。图片来源：Pixabay
好不容易记住的内容，一觉起来就忘了大半？大脑是怎样在睡眠状态中权衡需要记住或遗忘的信息？近期一项在大鼠上的研究发现，当我们处于睡眠状态时，一种慢波脑电波帮助强化记忆，而另一种与之对抗的脑电波削弱记忆。两种脑波的动态平衡完成了大脑中信息的重组。通过更深入的研究，未来我们或许能找到强化学习或改善认知能力的方法。
来源 Quanta Magazine
作者 Elena Renken
翻译 祖玮佳
编辑 戚译引
大脑收集的记忆远比它能保存的要多。我们一整天都在吸收新的信息，但第二天只有一部分得到保留。睡眠在这种习得与遗忘的平衡中似乎至关重要，在睡眠中大脑通过发射电信号的模式使某些记忆得到加强，其他的被抹除，但我们尚不了解这个过程的具体机制。10 月 3 日发表的一项研究初步解开了这个谜团，研究分离出两种功能相反的脑波，它们一个强化记忆，一个弱化记忆。
仅仅通过分离这两种脑电波，研究人员就能初步解释大脑如何处理记忆，从而有选择性地保留或遗忘，他们为这个领域相互竞争的理论提供了一个协调方案。加州大学旧金山分校（USCF）的神经学副教授、该研究的资深作者卡鲁内什·甘古利（Karunesh Ganguly）说，过去我们的理解中存在一道鸿沟，我们无法解释睡眠为什么对记忆和遗忘都同等重要。
关于记忆强化的各种理论通常被划为两大阵营，每个阵营都有一些证据作为支撑。其中一个阵营将学习的长时记忆形成归因于睡眠状态中重现的大脑活动。这些神经元集群模仿了最初学习过程的信号，这种重复加强了神经元之间的突触连接，从而加强了记忆。理论上，其他神经元之间的连接没有被再次激活，因此不会得到强化，由它们控制的记忆就会淡化。
另一个阵营的许多研究人员则提出“突触削弱”（synaptic downscaling）的概念，这类理论认为大脑会更加积极地清除不太有用的记忆。因为学习过程涉及加强脑内突触连接的神经活动，会十分消耗能量；而在睡眠状态中，流入这些突触连接的能量减少，那些长期而言重要性较低的连接因此弱化。通过除去这些作为背景噪音的无用记忆，大脑过滤出有用的信号，从而提高了效率。
在加州大学旧金山分校的实验室里，神经科学家卡鲁内什·甘古利与一位同事交谈。显示器上是他们研究的慢振荡和 δ 波图样。图片来源：Steve Babuljak for UCSF, 2016
通过观察睡眠相关的不同脑电波模式在记忆保持中的作用，新的研究弥合了这些理论之间的分歧。
几十年来，关于记忆强化与遗忘的研究主要着眼于两种脑电波模式：慢振荡（slow oscillations）和睡眠纺锤波（sleep spindles），它们共同对记忆的巩固起着至关重要的作用。慢振荡的特征是高峰值和低频率，它会扫过大脑的大部分区域。而睡眠纺锤波发生在非快速眼动睡眠中，即睡眠周期中缺乏快速眼动、通常是无梦状态的阶段，是每隔几秒就会爆发一次的高频脑波。还有一种δ 波，它比慢振荡振幅略小一点，往往只在大脑的局部出现。由于慢震荡和 δ 波通常在睡眠中一同出现，人们很难区分这两者，所以它们通常被一起划归为慢波。
认识到慢振荡和 δ 波之间的差别，恰恰是新发表的这篇研究中发现的关键。
加州大学旧金山分校（UCSF）的神经学博士后、该项研究的主要作者金杰容（音，Jaekyung Kim）与来自西达赛奈医疗中心（Cedars-Sinai Medical Center）的生物医学和神经学助理教授塔努吉·古拉蒂（Tanuj Gulati）合作。通过提供奖赏，他们训练大鼠学习一种新的技能，这种技能涉及运动皮质的特定神经活动。晚上，大鼠睡觉的时候，他们对其脑中特定的波形加以抑制。第二天，他们测试了大鼠对新技能的记忆是否有所加强或淡化，以此探寻不同脑电波的功能。
金在他的大鼠脑电波图中用精确的标准区分了慢振荡和 δ 波，总结出两者的区别；他的结论与 20 多年前一项对猫的研究相符，那是人们首次发现二者的区别。当他和同事们消去了慢振荡后，大鼠的学习效果下降了，这点与预期相符，因为慢振荡对于巩固记忆的重要性是已知的。
但令研究人员惊讶的是，干扰 δ 波后，他们看到了相反的效果：大鼠的记忆增强了。
加州大学洛杉矶分校（UCLA）生物学与生理学综合教授吉娜·坡（Gina Poe）说：“我完全没有料到，抑制慢振荡会产生与抑制 δ 波不同的结果。”她没有预料到这二者之间的差异足以造成如此显著不同的结果，但她表示，这项研究的结果与其他许多发现是吻合的。“这有点像整个拼图丢失的那一块，”她补充说。
这些相互竞争的功能背后的机制为两个关于记忆巩固的核心理论都提供了支持。古拉蒂的研究小组之前发现，伴随慢振荡的纺锤波与神经活动组合的再次激活和记忆强化有关。与此同时，δ 波似乎能够使记忆淡化，或许是通过某种形式的突触削弱，削弱了脑内连接。
睡眠脑波与记忆的关系。慢振荡（左）能够强化记忆，它比较罕见，出现时遍布整个大脑，有着较高的峰值和较低的频率； δ 波（右）能够削弱记忆，它更为常见，产生在大脑的局部地区，和慢振荡相比有着较低的峰值和相似的频率。
纺锤波是较高频率的大脑活动爆发，在非快速眼动睡眠阶段每几秒钟出现一次，通常发生在慢振荡的负峰之后、δ 波的负峰之前。
图片来源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
古拉蒂说，δ 波在这方面的作用还没有得到详尽的研究。通过将其纳入考虑范围，这两类波之间的平衡得以被揭示，记忆与遗忘之间的平衡也浮出水面。他说：“这是一个推拉系统。大脑中有一种动态调节机制，能够根据其他信息调整（记忆的）开关。”
事实上，慢振荡和 δ 波互相竞争，以争取和纺锤波在时间上同步。慢振荡与纺锤波的同步率与大鼠对新技能的记忆效果相关，但如果将慢振荡和 δ 波的同步率都纳入考虑的话，预测准确度还能大大提高。影响记忆的不只是慢振荡，δ 波似乎也产生了影响。“这两者或许不止关系到‘记得’，更对‘在正确的时间记住正确的事情’至关重要，”加州大学尔湾分校（University of California, Irvine）精神病学和人类行为学助理教授布莱斯·曼德（Bryce Mander）说。
但这种平衡是精细而微妙的，脑损伤或睡眠剥夺等情况都可能破坏这种平衡。古拉蒂说，由于经历脑损伤的人常出现脑波改变，δ 波和慢振荡的比例变化可能导致持续性记忆缺陷。并且，这些波之间的关系可能还体现在一个远比这更普遍的现象中——年龄增长伴随的认知能力下降。
古拉蒂和他的团队在研究中观察到，睡眠纺锤波与不同波伴随出现时有不同的表现。和慢振荡一起时，纺锤波倾向于和它的一个相位耦合，但它和 δ 波的耦合却发生在另一个相位。曼德说，在衰老的大脑中，纺锤波显示出类似的变化，因为它开始在慢波不同的点上驻扎。如果 δ 波在衰老的大脑中更普遍的话，这种变化或许能得到解释。
δ 波也与痴呆症有更直接的联系。在表现出淀粉样斑块（阿尔茨海默病的一个标志）堆积的大脑中，δ 波更加常见。在晚期阿尔茨海默病患者中，不仅在睡眠状态中，清醒状态下也能检测出 δ 波。曼德说：“你会看到到处都是 δ 波。”它们的存在暗示了大脑中记忆障碍如何形成。
能否将关于脑波如何互相竞争的研究拓展到类似衰老这样的新领域中，将取决于这种机制是否也能解释其他类型的学习过程。比如说，学习运动技巧所涉及的大脑区域对其他类型的学习过程参与不多，所以我们还不清楚这种脑波对抗机制是否存在于所有类型的记忆中，坡说。
认识到 δ 波可能具备与慢振荡不同的功能，这一概念也为睡眠与记忆领域的许多其他研究提供了前景光明的方法。比如，一些旨在改善睡眠的药物仍无法加强学习和记忆，未来的研究或许能通过探索慢波如何在两种波的影响下保持平衡，找到其中的原因。在睡眠中跟踪慢波的数据可能将提供新的线索，分别解释慢振荡和 δ 波的影响。我们最终甚至有可能证明，通过干扰 δ 波来强化记忆才是可行的，而不是专注产生更多的慢振荡。通过对记忆超常人群的大脑活动进行研究，或许还能得到加强记忆的干预方法。“这篇论文开辟了一个崭新的研究领域，”曼德说。
不过，金的工作之后，还有一个问题悬而未决，那就是为什么人类以及其他一些动物需要这么多的睡眠。有证据表明，慢波和睡眠纺锤波的耦合只占据数小时睡眠中的几秒钟，而这种耦合只需要发生几次，就能使记忆持久性发生长期改变。“让我们的脑回路进行重构，这么短的时间就够了，”坡说。
联系客服
