睡眠中如何增强记忆？ tDCS电刺激篇

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文/ 博超同学 

审稿/ ChenLee yue li 熙祎

编辑/shin

当研发出假肢，让截肢的患者能够重新走路的时候，同样的科技就能用来为健康人进化升级，如果能够发现防止记忆力衰退的方法，同样的方法也能用来为年轻人增强记忆力，治愈与进化之间并没有明确的界限，医学一开始几乎总是要拯救那些低于正常下限的人，但同样的工具和知识也能用来超越正常的上限。 

《未来简史》 尤瓦尔 赫拉利

数十年来，医学与神经科学在精神类疾病治疗上取得了很多突破性进展，比如说：用有创的DBS/深部脑刺激技术取代病灶切除手术来治疗癫痫，用无创的TMS/经颅磁刺激技术和tDCS/经颅直流电刺激技术，通过刺激大脑皮层来缓解抑郁症和精神分裂症患者的病情，反过来，临床上用于治病的技术，也可能被科学家搬进实验室，用于研究如何增强正常大脑的功能。

近年来，类似的研究屡见报端，例如：2014年美国Newsweek曾报道：Northwest大学研究人员用TMS增强正常人的记忆功能。2006年印度DNA（Daily News & Analysis）曾报道：德国Lubeck大学研究人员通过电刺激使正常人增强记忆。同年新华社也对做了相关报道：科普：睡眠时刺激大脑可能提高记忆力。

我的上一篇文章提到，1924年两位美国科学家发现睡眠能有效地减缓遗忘。经过多年的研究，科学家逐步将睡眠的抗遗忘功能与睡眠早期的慢波睡眠联系在一起，研究发现清醒时存储在海马内的短期记忆，在慢波睡眠中会逐步向长期记忆存储中心-新皮层转移，而睡眠当中新皮层-丘脑-海马的“交流对话”，即slow oscillation-spindle-sharp wave ripple同步振荡为此提供了实验依据。

本文便以 2006年德国Lubeck大学的科学家在国际顶级期刊nature发布了一篇了文章：睡眠中调节慢波振荡增强记忆 为例，阐述睡眠中增强记忆巩固的方法。

Question

先前的研究中作者发现，在大脑皮层施加微弱的delta直流电流刺激，能增强皮层的脑电振荡，而在慢波睡眠中，新皮层的慢波振荡以“从上到下”的方式驱动丘脑和海马同步活动，促进短期记忆向长期记忆不断转化。能否通过低频电刺激的方式，改变新皮层的慢波振荡，进而增强陈述性记忆巩固呢？

Part 1 实验设计

慢波睡眠中新皮层的慢波振荡频率为0.5-4Hz（delta波），主频率为0.7-0.8Hz，在学习后的慢波睡眠中，通过微弱电流刺激前额叶新皮层，改变新皮层的慢波振荡，探究慢波振荡改变与记忆巩固之间的联系。

Part 2 实验流程

医学生因为在学习中需要记忆很多知识的缘故，通常都有着出色的记忆能力，因此研究人员招募了一批医学生作为被试。实验分为刺激组和非刺激组，在研究人员的引导下，被试带上电极帽，睡前完成单词记忆任务（能用语言表达的）和程序性记忆任务（说不出但会做的），进入睡眠后第一个睡眠周期的慢波睡眠阶段，刺激组接受微弱的0.75Hz电流刺激（人体完全感受不到），而非刺激组则只带电极帽不施加电流刺激。早上被唤醒后，被试接受记忆提取测试，评价记忆结果。

Part 3 实验结果

陈述性记忆任务中，刺激组与非刺激组在睡眠觉醒后记忆单词数均增多，但刺激组表现更好（4.77>2.08），而程序性记忆任务中，两组被试没有表现出显著性差别。

与非电刺激组相比，电刺激组在电刺激之后的1小时内，睡眠结构发生改变，慢波睡眠和REM睡眠均显著增多，而浅睡眠减少。

功率谱分析显示：0.5-1Hz的慢波、8-12Hz的慢spindle能量均有不同程度提高，12-15Hz的快spindle能量则没有提升。

Part 4 实验结论

1.新皮层delta电刺激有效提升了海马依赖性的陈述性记忆，而与REM睡眠有关的程序性记忆，因其巩固不在慢波睡眠阶段进行，因此巩固没有得到增强。

2.新皮层delta电刺激有效增强了新皮层的慢波振荡，改变睡眠结构使慢波睡眠增多，加强了“新皮层-丘脑-海马”之间的交流对话，为慢波睡眠促进记忆巩固提供了实验依据。

3.慢波睡眠中新皮层的慢波振荡增强，会引发源自丘脑的spindle振荡也随之增强，致使海马内存储的短期记忆向皮层存储的长期记忆转化增强，这为slow oscillation-spindle同步振荡增强记忆巩固提供了实验依据。

而清醒和REM睡眠时新皮层振荡频率为4-8Hz（theta波），主频率为5Hz，能否通过theta电刺激改变慢波睡眠中新皮层的慢波振荡和REM睡眠中新皮层的theta振荡，进而增强记忆巩固呢？

2011年该研究团队又发表了另一篇文章，睡眠中theta电刺激抑制了记忆巩固。

在被试学习后的睡眠中，早期慢波睡眠和睡眠后期REM睡眠阶段，用5Hz的微弱电流刺激前额叶皮层，研究theta刺激对慢波睡眠和REM睡眠的影响。

陈述性记忆任务中，刺激组与非刺激组在睡眠觉醒后记忆单词数均增多，但刺激组表现更差（2.80<5.16），而程序性记忆任务中，两组被试没有表现出显著性差别。

在慢波睡眠中，theta电刺激导致刺激当时睡眠结构发生显著改变，慢波睡眠显著减少，而浅睡眠显著增多。电刺激之后的1小时内，慢波睡眠和浅睡眠结构逐步恢复到正常。

功率谱分析显示：受theta电刺激影响，slow oscillation和慢spindle能量均发生不同程度降低，而停止刺激之后的1小时内，慢波和慢spindle能量先代偿性升高，再逐渐恢复到正常水平。

功率谱分析显示：REM睡眠中theta电刺激诱发gamma频段的能量提升，这与学习过程中新皮层theta-gamma耦合现象一致。

实验结论

慢波睡眠中theta电刺激显著抑制了新皮层的慢波振荡，使海马依赖性的陈述性记忆巩固变差，REM睡眠中theta电刺激对程序性记忆没有显著影响。

文章小结

在慢波睡眠中用tDCS在新皮层施加低频电刺激，能增强新皮层slow oscillation，增强陈述性记忆巩固，而theta电刺激，会削弱新皮层slow oscillation，抑制陈述性记忆巩固。

近年来国内外许多研究团队都在积极研发研tDCS设备，由波音和通用公司共同持股的 HRL Laboratories和美国加州Thync公司都曾研发出商用可穿戴tDCS设备，但略显遗憾的是，因其使用安全可靠性未能得到广泛验证，目前国内外tDCS设备均未能通过医疗认证，而个人DIY tDCS设备和商用tDCS设备也常因使用不当，造成使用者皮肤烧伤、暂时性视力丧失等安全问题，因此需要谨慎对待。

写在最后

人类脑计划的终极使命“认识脑-保护脑-创造脑”，经过一代代科学家的努力，正在一步步变成现实，神经科学技术的不断革新和发展，使我们能进一步窥探大脑深邃的奥秘。

参考文献

【1】Lisa Marshall, Halla Helgadottir, Matthias Molle & Jan Born, Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory, Nature, 2006 , 444 (7119) :610

【2】Lisa Marshall, Roumen Kirov, Julian Brade, Matthias Molle, Jan Born,Transcranial Electrical Currents to Probe EEG Brain Rhythms and Memory
Consolidation during Sleep in Humans. Plos ONE, February 2011, Volume 6, Issue 2, e16905
【3】Matthew Walke, Why We Sleep, 2017

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