WeChat ID ibrain-talk Intro 一群青年脑科学工作者组成的团队，希望能做一些有趣而严谨的原创性科普，帮助大家更好的了解脑、保护脑；同时也希望能追踪科技前沿，讨论如何模拟脑。关注领域：神经科学、认知科学、脑机接口和人工智能。 前言：2月3日，《Science》同一期发表了两篇关于睡眠时突触进行修剪的文章[1]，表明我们的大脑会在夜晚睡眠的时候清除较弱的连接（久远的，不重要的记忆），降低部分连接的整体强度（保持相对强度）[2]。这就像拔掉一些“神经插头”，来帮助大脑减少能耗，提高效率，为学习新东西提供空间。那么，记忆最初如何产生于大脑？睡眠除了遗忘不太重要的信息，是否也会帮助我们巩固记忆？ “赫布型学习“或”赫布法则“认为，持续地重复刺激会增加突触传递的效能，也就是“复述”或“熟能生巧”的原理。因此白天的学习通过建立突触连接而形成记忆。而当大脑进入睡眠时，会交替进入两个阶段：非快速眼动睡眠期和快速眼动睡眠期。研究发现，这两个阶段都会对记忆的巩固做出贡献。目前的结果表明，不同的学习任务或学习内容会产生不同的记忆，而大脑可能也会在不同的睡眠阶段编码不同种类的信息。[3] ①非快速眼动睡眠（non-rapid eye movement sleep，非REM期）。这一时期，大脑电活动节律较慢，又称为慢波睡眠，一般不生成复杂的梦。这一阶段大脑能耗和神经元总体放电频率最低，被称为“休闲的大脑，可动的身体”； ②快速眼动睡眠（rapid eye movement, REM睡眠），脑电出现清醒警觉时才有的快速的β节律（13-40Hz），眼球会迅速而频繁地运动，是脑内出现生动、详细的梦的时段。控制REM睡眠的系统是脑干深部，其会向脊髓运动神经元发出抑制性投射，阻止下行的运动指令表达为实际的运动，因此这个阶段被称为“活跃的大脑，瘫痪的身体”。 心理学根据记忆的信息类型将记忆分为陈述性记忆和程序性记忆。其中陈述性记忆包括语义记忆（解放军的天，是蓝蓝的天）和情景记忆（一朝被蛇咬，十年怕井绳）；程序性记忆主要为机械动作的掌握（骑车、开车）。睡眠与记忆的巩固密不可分， 关于记忆的详细分类及研究综述，详见@东华君 的文章：学习与记忆 | 记忆的分类及其理论模型 - 知乎专栏 那么，学习记忆的”痕迹“在睡眠的大脑中如何产生？睡眠如何帮助我们巩固学习效果？ 这里主要介绍甘文标课题组2014年发表在《Science》上的一篇题为《Sleep promotes branch-specific formation of dendritic spines after sleep》的文章： 结果1：学习导致新的突触形成 我们大脑的电信号在突触间传递时，采用的是“电信号——化学信号——电信号“的方式。这种传递局部、精准，并能够调控神经信号。学习记忆会导致新的突触形成，突触会随着信号的传播增多而变大，使得从一个神经元发出的信号更容易激发下一个神经元，神经元间的联系变得更加紧密。 图1 突触由突触前膜（轴突的末梢）、突触间隙、突触后膜（树突的树突棘）构成 实验采用转棒实验（运动学习）的范式，对比小鼠在运动前、后运动皮层的神经元的树突棘后发现，在学习任务结束后的6-48小时，树突棘（突触）的数量显著增加。 图2 睡眠中增加的树突棘 结果2：不同的学习任务会形成不同的突触；非快速眼动睡眠影响树突棘的形成 树突是大脑中负责接收信息的单元，但当不同的信息都朝向同一个脑区同一个神经元，此时会发生什么？研究者便考察了树突的两个分支（姐妹树突）在面对不同的学习任务（向前转棒和向后转棒，学会不要掉下来），发现这两个学习任务导致的突触增加分布于不同的姐妹树突。转棒实验于老鼠就像骑自行车于人类一样，属于程序性记忆。或许对于程序性记忆，比如不同运动任务形成的突触分布于不同的树突分支这一现象，就是我们不易遗忘或混淆程序性记忆的机制。 研究者通过小鼠的脑电来监测小鼠清醒和睡眠的情况，并对其进行睡眠剥夺。剥夺了小鼠快速眼动睡眠后，发现突触并没有受到影响；反而是在非REM期，任务特异的神经元会被再激活，阻止这种神经元的激活将导致突触无法形成。因此非快速眼动睡眠对于程序性记忆的巩固至关重要。 结果3：熬夜会削弱学习效果，那多学一会？学完再睡也一样？ 这个研究对于不知是否该牺牲睡眠来学习的人，实在是一个大福音。实验结果发现，睡眠剥夺会使得突触的形成大大减少。而有的人会说，可是我一直在学习，他熬夜打王者荣耀，我还在复习今天学的微分方程啊。于是研究者剥夺小鼠4小时睡眠后让其继续强制学习，发现，虽然比玩王者荣耀形成的突触多，但是还是比睡一觉形成的突触少。此外，“周到”的研究者通过实验发现，即使让睡眠剥夺之后老鼠美美地睡16个小时，树突棘的增长也依然少于正常作息鼠。虽然没有熬夜写过作业的人不足以谈惨淡人生，但最经济的学习方案应该是保证适合自己的睡眠，长期熬夜会适得其反。 这里主要介绍Adamantidis等人2017年发表在《Science》上的一篇题为《Causal evidence for the role of REM sleep theta rhythm in contextualmemory consolidation》的论文中的主要内容： 大脑的电活动通常表明此时的状态，如清醒镇定时大脑就会产生10-14Hz的α波，警觉时变为15-30Hz，而在快速眼动睡眠期REM，便会在海马等与记忆有关的脑区产生4-10Hz的theta波[4,5]。有研究发现，内侧隔核(Medial Septum, MS) 与海马区有着抑制性投射，也就是说，内侧隔核中神经元的激活会抑制海马的活动。因此研究者通过记录小鼠的脑电图和脑磁图，在它进入快速眼动睡眠期时(并不打扰睡眠)激活内侧隔核中抑制性神经元，并记录海马中神经元的场电位，结合行为实验来确定这些神经元及快速眼动睡眠对情景记忆巩固的重要性。图 3 研究方法 结果1：干扰快速眼动睡眠会影响小鼠的空间记忆 图4 物体识别实验（小鼠会对新鲜的刺激表现出好奇心， 并会花更多的时间进行探索。我们通常以此为指标来测量它们是否记得某个物体之前出现过） 研究者在第一天让小鼠熟悉两个方块的位置，并在其进入快速眼动睡眠时激活小鼠的内侧隔核（抑制了海马的活动），第二天，将小鼠放回前一天的房间，但是更换了方块位置，与控制组相比，这组小鼠对更换了位置的物体（方块2）的与没换位置的物体（方块1）的探索时间差异不显著。也就是说，对照组的老鼠会想“谁动了宝宝的方块！”而这组小鼠可能会想“一样的笼子，一样的两个方块”，因此它可能并不记得这个方块原先的位置。 结果2：干扰快速眼动睡眠会影响小鼠的情景记忆 图5 条件恐惧实验 （小鼠在表现害怕的时候，通常会表现出僵直反应（”Freezing”）。我们通常通过这个实验范式研究小鼠的情景记忆。） 研究者第一天对小鼠建立”铃声“+”电击“的经典条件反射后，在小鼠睡眠的快速眼动睡眠期激活内侧隔核，抑制海马。第二天将小鼠放进昨天经历了电击的房间，那些没有在快睡眠期经历干扰的小鼠都会因昨天的经历而害怕到僵直；而激活了内侧隔核（抑制了海马神经元活动）的小鼠则表现出无所畏惧，像是没有经历过前一天的痛。 如果老鼠有梦，可能那些第一天经历了电击的老鼠便会再次梦到这样的经历，这或许也是做梦在进化过程中规避风险的重要意义。 Dement等研究者很早就发现，长期剥夺快速眼动睡眠后，受试者进入快速眼动睡眠睡眠状态的次数将大大增多，当最终被允许不受干扰地睡眠时，他们的快速眼动睡眠时程将被延长，与被剥夺的时程成正比；这种“出来混总是要还的”的补偿，或许正说明了睡眠于身体及大脑的重要性。[3]《麦克白》中说睡眠是疲劳者的沐浴，受伤心灵的油膏，生命宴席上主要的营养；对于大脑而言，睡眠更是学习者的铠甲，记忆的伴侣，进化进程中不可或缺的补给。 作者insoulter系北京师范大学神经生物学在读直博生 尊重作者，原创不易，转载需授权，侵权必究！ 脑人言｜有趣的脑科学知识 微信ID：ibrain-talk 读者交流QQ群：247771828 （加群请注明：脑人言读者） 长按二维码关注我们  点击右上角，分享知识，传递正能量。 感谢阅读，点“赞”鼓励一下作者吧！ Reward 长按二维码向我转账 受苹果公司新规定影响，微信 iOS 版的赞赏功能被关闭，可通过二维码转账支持公众号。 Scan QR Code via WeChat to follow Official Account