大腦中有一組“鉛筆”和“橡皮擦”,，在我們睡眠時(shí)有選擇地強(qiáng)化或消除記憶。圖片來源：Pixabay

來源 Quanta Magazine

作者 Elena Renken

翻譯 祖瑋佳

編輯 戚譯引

大腦收集的記憶遠(yuǎn)比它能保存的要多,。我們一整天都在吸收新的信息，但第二天只有一部分得到保留,。睡眠在這種習(xí)得與遺忘的平衡中似乎至關(guān)重要,，在睡眠中大腦通過發(fā)射電信號的模式使某些記憶得到加強(qiáng)，其他的被抹除,，但我們尚不了解這個(gè)過程的具體機(jī)制,。10 月 3 日發(fā)表的一項(xiàng)研究初步解開了這個(gè)謎團(tuán)，研究分離出兩種功能相反的腦波,，它們一個(gè)強(qiáng)化記憶,，一個(gè)弱化記憶。

僅僅通過分離這兩種腦電波,，研究人員就能初步解釋大腦如何處理記憶,，從而有選擇性地保留或遺忘，他們?yōu)檫@個(gè)領(lǐng)域相互競爭的理論提供了一個(gè)協(xié)調(diào)方案,。加州大學(xué)舊金山分校（USCF）的神經(jīng)學(xué)副教授,、該研究的資深作者卡魯內(nèi)什·甘古利（Karunesh Ganguly）說，過去我們的理解中存在一道鴻溝,，我們無法解釋睡眠為什么對記憶和遺忘都同等重要,。

關(guān)于記憶強(qiáng)化的各種理論通常被劃為兩大陣營，每個(gè)陣營都有一些證據(jù)作為支撐。其中一個(gè)陣營將學(xué)習(xí)的長時(shí)記憶形成歸因于睡眠狀態(tài)中重現(xiàn)的大腦活動,。這些神經(jīng)元集群模仿了最初學(xué)習(xí)過程的信號,，這種重復(fù)加強(qiáng)了神經(jīng)元之間的突觸連接，從而加強(qiáng)了記憶,。理論上,，其他神經(jīng)元之間的連接沒有被再次激活，因此不會得到強(qiáng)化,，由它們控制的記憶就會淡化,。

另一個(gè)陣營的許多研究人員則提出“突觸削弱”（synaptic downscaling）的概念，這類理論認(rèn)為大腦會更加積極地清除不太有用的記憶,。因?yàn)閷W(xué)習(xí)過程涉及加強(qiáng)腦內(nèi)突觸連接的神經(jīng)活動,，會十分消耗能量；而在睡眠狀態(tài)中,，流入這些突觸連接的能量減少，那些長期而言重要性較低的連接因此弱化,。通過除去這些作為背景噪音的無用記憶,，大腦過濾出有用的信號，從而提高了效率,。

在加州大學(xué)舊金山分校的實(shí)驗(yàn)室里,，神經(jīng)科學(xué)家卡魯內(nèi)什·甘古利與一位同事交談。顯示器上是他們研究的慢振蕩和 δ 波圖樣,。圖片來源：Steve Babuljak for UCSF, 2016

通過觀察睡眠相關(guān)的不同腦電波模式在記憶保持中的作用,，新的研究彌合了這些理論之間的分歧。

幾十年來,，關(guān)于記憶強(qiáng)化與遺忘的研究主要著眼于兩種腦電波模式：慢振蕩（slow oscillations）和睡眠紡錘波（sleep spindles）,，它們共同對記憶的鞏固起著至關(guān)重要的作用。慢振蕩的特征是高峰值和低頻率,，它會掃過大腦的大部分區(qū)域,。而睡眠紡錘波發(fā)生在非快速眼動睡眠中，即睡眠周期中缺乏快速眼動,、通常是無夢狀態(tài)的階段,，是每隔幾秒就會爆發(fā)一次的高頻腦波。還有一種δ 波,，它比慢振蕩振幅略小一點(diǎn),，往往只在大腦的局部出現(xiàn)。由于慢震蕩和 δ 波通常在睡眠中一同出現(xiàn),，人們很難區(qū)分這兩者,，所以它們通常被一起劃歸為慢波。

認(rèn)識到慢振蕩和 δ 波之間的差別,，恰恰是新發(fā)表的這篇研究中發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵,。

加州大學(xué)舊金山分校（UCSF）的神經(jīng)學(xué)博士后,、該項(xiàng)研究的主要作者金杰容（音，Jaekyung Kim）與來自西達(dá)賽奈醫(yī)療中心（Cedars-Sinai Medical Center）的生物醫(yī)學(xué)和神經(jīng)學(xué)助理教授塔努吉·古拉蒂（Tanuj Gulati）合作,。通過提供獎賞,，他們訓(xùn)練大鼠學(xué)習(xí)一種新的技能，這種技能涉及運(yùn)動皮質(zhì)的特定神經(jīng)活動,。晚上,，大鼠睡覺的時(shí)候，他們對其腦中特定的波形加以抑制,。第二天,，他們測試了大鼠對新技能的記憶是否有所加強(qiáng)或淡化，以此探尋不同腦電波的功能,。

金在他的大鼠腦電波圖中用精確的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分了慢振蕩和 δ 波,，總結(jié)出兩者的區(qū)別；他的結(jié)論與 20 多年前一項(xiàng)對貓的研究相符,，那是人們首次發(fā)現(xiàn)二者的區(qū)別,。當(dāng)他和同事們消去了慢振蕩后，大鼠的學(xué)習(xí)效果下降了,，這點(diǎn)與預(yù)期相符,，因?yàn)槁袷帉τ陟柟逃洃浀闹匾允且阎摹?/p>

但令研究人員驚訝的是，干擾 δ 波后,，他們看到了相反的效果：大鼠的記憶增強(qiáng)了,。

加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）生物學(xué)與生理學(xué)綜合教授吉娜·坡（Gina Poe）說：“我完全沒有料到，抑制慢振蕩會產(chǎn)生與抑制 δ 波不同的結(jié)果,?！彼龥]有預(yù)料到這二者之間的差異足以造成如此顯著不同的結(jié)果，但她表示,，這項(xiàng)研究的結(jié)果與其他許多發(fā)現(xiàn)是吻合的,。“這有點(diǎn)像整個(gè)拼圖丟失的那一塊,，”她補(bǔ)充說,。

這些相互競爭的功能背后的機(jī)制為兩個(gè)關(guān)于記憶鞏固的核心理論都提供了支持。古拉蒂的研究小組之前發(fā)現(xiàn),，伴隨慢振蕩的紡錘波與神經(jīng)活動組合的再次激活和記憶強(qiáng)化有關(guān),。與此同時(shí)，δ 波似乎能夠使記憶淡化,，或許是通過某種形式的突觸削弱,，削弱了腦內(nèi)連接。

睡眠腦波與記憶的關(guān)系。慢振蕩（左）能夠強(qiáng)化記憶,，它比較罕見,，出現(xiàn)時(shí)遍布整個(gè)大腦，有著較高的峰值和較低的頻率,； δ 波（右）能夠削弱記憶,，它更為常見，產(chǎn)生在大腦的局部地區(qū),，和慢振蕩相比有著較低的峰值和相似的頻率,。

紡錘波是較高頻率的大腦活動爆發(fā)，在非快速眼動睡眠階段每幾秒鐘出現(xiàn)一次,，通常發(fā)生在慢振蕩的負(fù)峰之后,、δ 波的負(fù)峰之前。

圖片來源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

古拉蒂說,，δ 波在這方面的作用還沒有得到詳盡的研究,。通過將其納入考慮范圍，這兩類波之間的平衡得以被揭示,，記憶與遺忘之間的平衡也浮出水面,。他說：“這是一個(gè)推拉系統(tǒng)。大腦中有一種動態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制,，能夠根據(jù)其他信息調(diào)整（記憶的）開關(guān)?！?/p>

事實(shí)上,，慢振蕩和 δ 波互相競爭，以爭取和紡錘波在時(shí)間上同步,。慢振蕩與紡錘波的同步率與大鼠對新技能的記憶效果相關(guān),，但如果將慢振蕩和 δ 波的同步率都納入考慮的話，預(yù)測準(zhǔn)確度還能大大提高,。影響記憶的不只是慢振蕩,，δ 波似乎也產(chǎn)生了影響?！斑@兩者或許不止關(guān)系到‘記得’,，更對‘在正確的時(shí)間記住正確的事情’至關(guān)重要，”加州大學(xué)爾灣分校（University of California, Irvine）精神病學(xué)和人類行為學(xué)助理教授布萊斯·曼德（Bryce Mander）說,。

但這種平衡是精細(xì)而微妙的,，腦損傷或睡眠剝奪等情況都可能破壞這種平衡。古拉蒂說,，由于經(jīng)歷腦損傷的人常出現(xiàn)腦波改變,，δ 波和慢振蕩的比例變化可能導(dǎo)致持續(xù)性記憶缺陷。并且，這些波之間的關(guān)系可能還體現(xiàn)在一個(gè)遠(yuǎn)比這更普遍的現(xiàn)象中——年齡增長伴隨的認(rèn)知能力下降,。

古拉蒂和他的團(tuán)隊(duì)在研究中觀察到,，睡眠紡錘波與不同波伴隨出現(xiàn)時(shí)有不同的表現(xiàn)。和慢振蕩一起時(shí),，紡錘波傾向于和它的一個(gè)相位耦合,，但它和 δ 波的耦合卻發(fā)生在另一個(gè)相位。曼德說,，在衰老的大腦中,，紡錘波顯示出類似的變化，因?yàn)樗_始在慢波不同的點(diǎn)上駐扎,。如果 δ 波在衰老的大腦中更普遍的話,，這種變化或許能得到解釋。

δ 波也與癡呆癥有更直接的聯(lián)系,。在表現(xiàn)出淀粉樣斑塊（阿爾茨海默病的一個(gè)標(biāo)志）堆積的大腦中,，δ 波更加常見。在晚期阿爾茨海默病患者中,，不僅在睡眠狀態(tài)中,，清醒狀態(tài)下也能檢測出 δ 波。曼德說：“你會看到到處都是 δ 波,?！彼鼈兊拇嬖诎凳玖舜竽X中記憶障礙如何形成。

能否將關(guān)于腦波如何互相競爭的研究拓展到類似衰老這樣的新領(lǐng)域中,，將取決于這種機(jī)制是否也能解釋其他類型的學(xué)習(xí)過程,。比如說，學(xué)習(xí)運(yùn)動技巧所涉及的大腦區(qū)域?qū)ζ渌愋偷膶W(xué)習(xí)過程參與不多,，所以我們還不清楚這種腦波對抗機(jī)制是否存在于所有類型的記憶中,，坡說。

認(rèn)識到 δ 波可能具備與慢振蕩不同的功能,，這一概念也為睡眠與記憶領(lǐng)域的許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藥物仍無法加強(qiáng)學(xué)習(xí)和記憶,，未來的研究或許能通過探索慢波如何在兩種波的影響下保持平衡,，找到其中的原因。在睡眠中跟蹤慢波的數(shù)據(jù)可能將提供新的線索,，分別解釋慢振蕩和 δ 波的影響,。我們最終甚至有可能證明，通過干擾 δ 波來強(qiáng)化記憶才是可行的,，而不是專注產(chǎn)生更多的慢振蕩,。通過對記憶超常人群的大腦活動進(jìn)行研究,，或許還能得到加強(qiáng)記憶的干預(yù)方法?！斑@篇論文開辟了一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域,，”曼德說。

不過,，金的工作之后,，還有一個(gè)問題懸而未決，那就是為什么人類以及其他一些動物需要這么多的睡眠,。有證據(jù)表明,，慢波和睡眠紡錘波的耦合只占據(jù)數(shù)小時(shí)睡眠中的幾秒鐘，而這種耦合只需要發(fā)生幾次,，就能使記憶持久性發(fā)生長期改變,。“讓我們的腦回路進(jìn)行重構(gòu),，這么短的時(shí)間就夠了,，”坡說。