Nat Neurosci：睡眠促进记忆增强的奥秘
睡眠具有复杂的微架构，包括微觉醒、睡眠纺锤体和睡眠阶段之间的转换。碎片化睡眠会损害记忆巩固，而富含纺锤体和富含delta的非快速眼动(NREM)睡眠和快速眼动(REM)睡眠则可以促进记忆。然而，微觉醒与睡眠的记忆促进方面之间的关系仍不清楚。
近日，Maiken Nedergaard和Celia Kjaerby团队在小鼠中使用纤维光度法来检查唤醒介质去甲肾上腺素(NE)的释放如何塑造睡眠微结构，将其结果“Memory-enhancing properties of sleep depend on the oscillatory amplitude of norepinephrine”发表在Nature Neuroscience杂志上。
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根据脑电图活动模式，大量的研究记录了睡眠丰富的微观结构组织。不间断的睡眠被认为对恢复过程和第二天的表现很重要。然而，短暂的觉醒，也被称为微觉醒（micro-arousals），越来越被认为是正常睡眠微结构的内在组成部分。尽管如此，微觉醒和记忆增强过程(如纺锤波)是如何相互联系和控制的尚不清楚。
增加的NE下降幅度启动微觉醒
覆盖多个睡眠觉醒片段的连续记录显示，在非快速眼动睡眠期间，明显的次低频振荡模式主导了mPFC的NE动态(图1b,c)。NE的上升与LC活动的爆发有关，NE在LC活动期间缓慢下降，周期为~30秒(图1c,d)。在非快速眼动睡眠期间的NE振荡上升被细分为导致清醒和微觉醒(图1e)。
在NREM睡眠中，只有7.9%的NE上升导致觉醒(图1f)。这些观察表明，内在的LC驱动的NE波动驱动睡眠期间的微觉醒循环模式，只有少数导致觉醒。
尽管在LC活动发作之前，NE下降的斜率在所有状态转换中都是相似的(图1j,k)，但在觉醒之前，NE下降的持续时间更长，导致与微觉醒相比，觉醒前NE下降的低谷水平更低(图1l,m)。与微觉醒相比，觉醒的后续NE上升幅度和上升时间更高(图1n)。与那些没有产生唤醒的人相比，在产生唤醒的音调之前，NE低谷水平更低(图1q)。
作者证明了：(1)非快速眼动睡眠期间的次低NE波振荡与有规律的微觉醒相吻合，这表明两者之间存在因果关系；(2)较大的NE波下降幅度会增加觉醒的可能性(图1t)。
图1.增加的NE下降幅度启动微觉醒
延长的NE下降促进纺锤波
丰富的IS和REM睡眠转换
检测到的纺锤波频率与EEG sigma功率平行，并揭示了NREM睡眠期间的次慢sigma功率振荡(图2a,b)，与NE振荡呈反比关系(图2c)。具体来说，纺锤体的出现随着NE下降而增加，并随着NE开始上升而终止（图2d）。因此，NREM睡眠期间NE的次低振荡与睡眠纺锤波和微觉醒的重复交替模式密切相关。
图2.延长的NE下降促进纺锤波丰富的IS和REM睡眠转换
当NE水平已经很低时，就会发生IS睡眠。在REM睡眠开始之前，阶段性LC事件停止，开始NE水平的持续下降，伴随着纺锤体积聚，在REM睡眠进入时下降（图2h，i）。值得注意的是，REM睡眠前的 NE 下降在 REM 睡眠开始前近40秒开始（图2i，k），表明富含纺锤体的IS睡眠是由NE下降驱动的。
有趣的是，NREM和IS睡眠之间的NE下降斜率相似（图2l），表明随后发生或不存在微觉醒是NREM睡眠是否继续或过渡到REM睡眠的主要决定因素。
光遗传学LC抑制诱导IS-REM
睡眠序列并改善记忆力
sigma功率的大小与NE下降的程度相关（图3e）。LC活动的光遗传学抑制显着增加了过渡到REM睡眠的概率（图3f）。抑制LC活动和连续NE下降会诱导类似于顺序连接的IS和REM睡眠的睡眠阶段。
作者进一步发现，增强的NE下降幅度可能会促使动物觉醒。通过常规LC光遗传学抑制增强NE下降幅度可诱导富含纺锤体的IS-REM睡眠序列并促进记忆性能。
图3.LC的光遗传学抑制诱导IS-REM睡眠序列并改善记忆
结 论
本研究发现在NREM睡眠期间，LC活动的阶段性发作（每~30秒）会产生皮层NE水平的低速振荡，从而驱动微觉醒并将睡眠细分为对记忆巩固很重要的微观结构。
分析表明，NREM睡眠时NE的振荡幅度决定了睡眠的记忆恢复质量；减少或增加NE振荡幅度会损害或改善睡眠后的记忆力。这些新的观察结果扩展了当前将NE作为控制宏观大脑状态的神经调节剂的观点以包括睡眠微架构。
作者证明了次低速NE振荡是塑造睡眠微结构的关键角色。具体来说，降低NE振荡振幅有利于微觉醒，从而维持非快速眼动睡眠，而促进NE下降会增加与IS睡眠相关的纺锤波出现，但会导致觉醒。以前的报告记录了由于频繁中断的睡眠受到干扰而导致认知能力受损的报告，这可能是因为NE的振荡幅度减少，这减少了睡眠的恢复，同时增加了微觉醒的数量。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41593-022-01102-9
参考文献
Kjaerby, C., Andersen, M., Hauglund, N. et al. Memory-enhancing properties of sleep depend on the oscillatory amplitude of norepinephrine. Nat Neurosci 25, 1059–1070 (2022).
编译作者：Ayden（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）