PNAS速递：睡眠过程中记忆的竞争动力学

导语

工作记忆和长时记忆的巩固均发生在包括睡眠在内的大脑“离线”时段，12月21日发表于PNAS的一项最新研究首次阐明睡眠中两种记忆模式互不相容的神经机制，指出工作记忆和长时记忆的表现此消彼长。

研究领域：大脑动力学，认知神经科学

张澳 | 作者

邓一雪 | 编辑

论文题目：

Competitive dynamics underlie cognitive improvements during sleep

论文地址：

https://www.pnas.org/content/118/51/e2109339118

记忆的重要性不言而喻，但对多数人而言，它又是神秘莫测的。认知心理学指出，可将记忆分为长时记忆（long term memory）和工作记忆（working memory），两者功能不同，背后的生理机制也不同。长时记忆是对先验事件的记录所形成的庞大知识库，如对生日、重要历史事件等信息的记录，通过海马体中的纺锤波加工；工作记忆是对计划或行为的控制过程，如短时间记住一串数字或一句话，依赖于副交感神经系统。而心脏通过副交感神经传导神经刺激，故可以通过监测心率变化来分析短时记忆处理。

除了以上不同点外，长时记忆和工作记忆也存在一些相同点。比如，两者都依赖于包括睡眠在内的离线时段巩固自身，并且两者的巩固过程都发生于同一个慢波（slow-wave）睡眠周期，即在入睡后的3～4小时间。但对于大脑如何在慢波睡眠期间同时改善长时记忆和工作记忆，人们知之甚少。近日，加州大学欧文分校的一个研究小组发现，在睡眠过程中，长时记忆和工作记忆的离线神经机制（offline neural mechanism）互不相容，也就是说大脑必须在两种记忆模式之间切换。这项发表在PNAS上的研究，首次阐明了人类大脑对两种记忆的权衡机制。

具体而言，研究小组借助了先前的药理学发现，即一种常用安眠药唑吡坦能够增强睡眠时海马体的纺锤波活动，从而提高长时记忆的表现。研究人员给被试在睡前服用唑吡坦或安慰剂，同时以心电扫描仪和脑电图分别监测其心率变化和脑活动，并通过测量眼球运动的眼电图来确定各时段的睡眠阶段。被试在睡前与醒后均进行了操作跨度任务（在数学问题之间呈现的字符串记忆）和词对联想任务（记忆呈现的单词组合），以分别对比工作记忆和长期记忆的表现变化。

图1. 服用唑吡坦（ZOL）与安慰剂（PBO）的两组被试在词对联想任务（A）和操作跨度任务（B）中表现的变化。可见唑吡坦改善了长时记忆表现，但降低了工作记忆表现。

实验结果发现，与服用安慰剂的人相比，服用唑吡坦的人在长时记忆任务中表现更好，但在工作记忆任务中表现更差。脑电图和心电图的记录与实验结果一致，服用唑吡坦的受试者产生的纺锤波增加，心率变化减少，反之亦然。值得注意的是，大脑在长期记忆和工作记忆间的权衡能够预测被试醒后在两类任务中表现的差距，即更多的纺锤波/更少的心率变化预示更好的长期记忆/更差的工作记忆。

图2. 睡眠中记忆模式切换的模型，展示了长时记忆和工作记忆涉及的大脑区域（主要为神经调质）和睡眠机制。

本研究通过药理学方法，揭示了长时记忆和工作记忆背后不同的“离线”神经机制，并且发现两种神经机制是互不相容的。基于该发现，研究人员提出了一个睡眠中记忆模式切换的模型（图2）。该模型中，大脑通过突触、系统和机械层面的复杂相互作用，在两个记忆模式之间切换。该研究对阿尔茨海默症、帕金森症等神经退行性疾病中观察到的认知障碍有重要意义，因为此类疾病往往涉及睡眠的恶化。

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