睡觉时,你的大脑正在抹去你的记忆?

大脑能被切断吗? 大脑收集的信息远远超过它所能容纳的范围。我们一整天都在接收新信息,但只有一部分可以保存一夜或更长时间。睡眠似乎对学习和遗忘之间的平衡至关重要。它通过大脑电信号的不同模式,强化记忆的一部分,消除另一部分。然而,在这个过程中起作用的机制仍然不清楚。 在2019年10月初报道的一项研究中,研究人员分离了两种脑电波的相反作用,从而解开

大脑能被切断吗?

大脑收集的信息远远超过它所能容纳的范围。我们一整天都在接收新信息,但只有一部分可以保存一夜或更长时间。睡眠似乎对学习和遗忘之间的平衡至关重要。它通过大脑电信号的不同模式,强化记忆的一部分,消除另一部分。然而,在这个过程中起作用的机制仍然不清楚。

在2019年10月初报道的一项研究中,研究人员分离了两种脑电波的相反作用,从而解开了谜团:一种脑电波增强记忆,另一种脑电波减弱记忆。

大脑是如何处理记忆以保留一部分而丢失另一部分的?在这个问题上,不同理论的解释之间存在矛盾。在研究人员简单地区分了这些脑电波之后,他们开始形成一个可以调和矛盾的解释。这项研究的主要作者,加州大学旧金山分校的神经病学副教授卡努纳什·甘古利说,我们还没有完全理解睡眠如何在记忆和遗忘中发挥重要作用。

记忆巩固理论大致分为两个阵营,每个阵营都有一些证据支持。一种理论将长期学习归因于睡眠中复制的大脑活动模式。这些神经放电集合模拟了原始学习过程中的信号,这种再现加强了神经元之间的突触联系,从而使记忆根深蒂固。如果没有复发,理论上其他突触连接也没有增强,那么这些记忆就会消失。

詹姆斯·斯坦伯格

另一个相反的理论是“突触缩小”许多研究人员认为,在这个过程中,大脑更积极地清除无用的记忆。因为学习过程包括加强大脑连接的神经活动,并且需要消耗能量,而在睡眠中,供给大脑连接的能量更少,这就削弱了那些在很长一段时间内不太重要的连接。从无用的记忆中去除这些背景噪音会使大脑信号更清晰,并保持大脑的效率。

与睡眠相关的不同脑电波模式对记忆保持有什么影响?这项新的研究集中在这个问题上,并在这些理论中架起了桥梁。

睡眠期间大脑会发生什么

几十年来,关于记忆增强和丧失的研究集中在两种脑电波模式上:慢振荡和睡眠纺锤波。以高峰和低频为特征的缓慢振荡席卷了大部分大脑区域。睡眠纺锤波是在非活跃睡眠中每隔几秒钟发生的高频活动的爆发(睡眠阶段没有快速的眼球运动,通常很少做梦)。当与睡眠纺锤体结合时,慢振荡对记忆巩固变得至关重要。相比之下,δ略小于慢振荡,并且倾向于在大脑局部出现。因为慢振荡和δ波通常在睡眠时同时出现,并且很难区分,所以它们通常被归为慢波。

然而,识别慢振荡和δ波之间的区别是这个新发表的研究发现的关键点。

金与旧金山加州大学博士后研究员、该研究的主要作者金在京(Jaekyung">

20多年前,一项关于猫的研究首次观察到了这两种波的不同特征。Kim用这些特征来区分他用精确标准记录的大鼠大脑中的慢振荡和δ波。众所周知,慢振荡在记忆巩固中起着重要作用。因此,当研究人员消除缓慢振荡时,大鼠的学习能力应该会下降。结果和预期的一样。

慢振荡和δ波的区别

露西·雷丁-伊康达/量子杂志

但令研究人员惊讶的是,当他们扰乱δ波时,他们观察到了相反的效果:老鼠的记忆力提高了。

"我不认为抑制慢振荡会有与抑制δ波不同的效果."综合生物学家和生理学家吉纳波说。她没想到脑电波之间的差异如此重要,但她说这项研究的结果与许多其他发现一致。"这就像是拼图中缺失的一块."她补充道。

这些相互竞争的功能暗示了前两个关于记忆巩固的重要理论的内在机制。纺锤波和慢振荡是相互嵌入的。过去,甘古利的团队将这一现象与神经活动组合的重现和记忆的增强联系起来。与此同时,δ波似乎削弱了大脑连接并降低了记忆,这一过程可能是通过某种形式的突触减少来实现的。

甘古利说,三角洲波的这一特征尚未得到广泛研究。通过考虑δ波的作用,本研究揭示了这两种波之间的平衡。这种平衡也是学习和遗忘之间的平衡。“这是一个推拉系统,”他说。“大脑中有一个动态过程,可以根据其他信息控制记忆的转换。”

事实上,慢振荡和δ波相互竞争,使时间与纺锤波一致。纺锤波和慢振荡的同步比率与老鼠对新技能的记忆程度有关。但是,如果考虑到慢振荡与δ波和纺锤波的同步率,我们可以更好地预测大鼠的学习行为。不仅缓慢的振荡会影响学习;看来三角洲波也有很大的影响。“记住这两个可能不仅很重要,而且在正确的时间记住正确的事情也很重要。”加州大学欧文分校精神病学和人类行为副教授布莱斯·曼德说。

但是这种平衡是微妙的,可能会被从大脑损伤到睡眠不足的任何事情扰乱。Ganguly说,由于脑损伤通常伴随着脑电波的变化,δ波与慢振荡的比率的变化可能是记忆持续下降的原因之一。这些脑电波之间的关系可能在一个更常见的现象中发挥作用——伴随着衰老的认知衰退。

在加州大学旧金山分校,神经科学家卡努纳什·甘古利在他的实验室里与一位同事交谈。屏幕上显示的是他们研究的慢振荡和δ波的波形。(甘古利在右边)

2016年UCSF史蒂夫·巴布雅克

Ganguly和他的团队在研究中观察到睡眠纺锤波与不同的波有不同的相互作用。纺锤波倾向于与慢振荡的一个相位耦合,但是将被锁定在δ波的不同相位。纺锤波也显示了老化大脑中结合阶段的这种转变,因为它们嵌入慢波的不同点。曼德尔说,如果δ波在老化的大脑中更常见,这可能有助于解释老化的变化。

δ波也与痴呆症有更直接的联系。淀粉样斑块的发展是阿尔茨海默氏病的一个迹象,并且大脑中的δ波激增显示了这一症状。在患有晚期阿尔茨海默病的患者中,不仅在睡眠状态下,而且在清醒状态下都能发现δ波。“你会发现三角洲波无处不在。”曼德尔说。它们的出现表明记忆障碍是如何在大脑中表现出来的。

脑电波竞争什么?

这些关于竞争脑电波的研究能扩展到其他领域吗,比如衰老?这取决于这种机制是否会出现在其他学习模式中。博举了一个例子。例如,学习运动技能所需的大脑区域可能不参与其他种类的学习。因此,尚不清楚这种竞争脑电图是否存在于所有类型的记忆中。

δ波可能具有不同于慢振荡的功能的发现也启发了睡眠和记忆研究中几个问题的可能解决方案。例如,尽管一些药物能改善睡眠,但它们仍然不能改善学习和记忆。在这些药物影响下的慢波平衡的未来研究可能阐明原因。至于慢振荡和δ波分别扮演什么角色,通过在睡眠期间跟踪和记录慢波数据,可以获得更多新的见解。此外,增强记忆的可能方法最终可能被证明是可行的,即通过干扰δ波而不是通过促进更慢的振荡。什么样的干预可以改善学习和研究具有非凡记忆力的人的大脑活动也可以为这类问题提供思路。"这篇论文开辟了一个全新的研究领域."曼德尔说。

金工作背后的一个突出问题是为什么我们人类和其他动物需要和现在一样多的睡眠。证据表明,在几个小时的睡眠中,慢波和睡眠纺锤波的耦合只需要几秒钟。只需要几个耦合事件就能给记忆带来持久的长期变化。"这将足以让我们的环路自我重建."博说。

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