大腦中有一組“鉛筆”和“橡皮擦”，在我們睡眠時有選擇地強(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過程的具體機(jī)制。10 月 3 日發(fā)表的一項研究初步解開了這個謎團(tuán)，研究分離出兩種功能相反的腦波，它們一個強(qiáng)化記憶，一個弱化記憶。

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@個領(lǐng)域相互競爭的理論提供了一個協(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，每個陣營都有一些證據(jù)作為支撐。其中一個陣營將學(xué)習(xí)的長時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。因為學(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)舊金山分校的實驗室里，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，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，這種技能涉及運動皮質(zhì)的特定神經(jīng)活動。晚上，大鼠睡覺的時候，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，這點與預(yù)期相符，因為慢振蕩對于鞏固記憶的重要性是已知的。

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，這項研究的結(jié)果與其他許多發(fā)現(xiàn)是吻合的?！斑@有點像整個拼圖丟失的那一塊，”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，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)時遍布整個大腦，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>

事實上，慢振蕩和 δ 波互相競爭，以爭取和紡錘波在時間上同步。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)隊在研究中觀察到，睡眠紡錘波與不同波伴隨出現(xiàn)時有不同的表現(xiàn)。和慢振蕩一起時，紡錘波傾向于和它的一個相位耦合，但它和 δ 波的耦合卻發(fā)生在另一個相位。曼德說，在衰老的大腦中，紡錘波顯示出類似的變化，因為它開始在慢波不同的點上駐扎。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。”它們的存在暗示了大腦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。“這篇論文開辟了一個嶄新的研究領(lǐng)域，”曼德說。

不過，金的工作之后，還有一個問題懸而未決，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?！白屛覀兊哪X回路進(jìn)行重構(gòu)，這么短的時間就夠了，”坡說。