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编译服务: 生物安全网络监测与评估 编译者: yanyf@mail.las.ac.cn 编译时间: Oct 8, 2019 点击量: 215

加州大学旧金山分校研究人员的一项新研究显示,睡眠大脑中不同的电活动模式可能会影响我们记得还是忘记前一天学到的东西。研究人员说,科学家通过调节动物睡觉时的脑电波,可以影响大鼠学习新技能的能力,这表明在增强人类记忆力或忘记创伤经历方面潜在的未来应用。

在10月3日在线发表在《细胞》杂志上的这项新研究中,神经病学副教授,加州大学旧金山分校威尔神经科学研究所成员Karunesh Ganguly博士领导的研究小组使用了称为光遗传学的技术来抑制特定类型随意睡觉的大鼠大脑活动的变化。

这使研究人员能够确定在睡眠过程中看到的两种截然不同的慢脑波,分别称为慢振荡和三角波,分别增强或减弱了新近学习的技能所涉及的特定脑细胞的发射-在这种情况下,如何操作大鼠可以通过神经植入物控制大脑的喷水嘴。

Ganguly说:“我们惊讶地发现,通过减少睡眠中这些不同类型的脑电波,可以使学习更好或更糟。” “特别是,三角波是睡眠的重要组成部分,但对它们的研究较少,并且没有人将其归因于它们。我们认为,这两种类型的慢波在睡眠期间会竞争以确定是否合并和存储了新信息,否则被遗忘。”

Ganguly补充说:“将特定类型的脑电波与遗忘联系在一起是一个新概念。” “关于增强记忆的研究更多,关于遗忘的研究较少,而且它们往往彼此孤立地进行研究。我们的数据表明,两者之间存在着不断的竞争-两者之间的平衡决定了两者之间的平衡。我们记得的。”

一些睡眠要记住,其他人要忘记

在过去的二十年中,数百年来对睡眠在记忆形成中起重要作用的人类直觉越来越受到科学研究的支持。动物研究表明,与构成新任务或新经历的初始记忆有关的神经元在睡眠期间会重新激活,以巩固大脑中的这些记忆痕迹。许多科学家认为,忘记也是睡眠的重要功能-也许是通过消除不重要的信息来使头脑整洁的一种方式。

缓慢的振荡和三角波是所谓的非快速眼动睡眠的标志,至少在人类中,这种睡眠占一夜睡眠的一半以上。有证据表明,这些非快速眼动睡眠阶段在巩固各种记忆(包括运动技能的学习)中发挥着作用。在人类中,研究人员发现,例如,在非快速眼动睡眠的早期花费的时间与更好地学习简单的钢琴即兴演奏有关。

Ganguly的团队开始研究睡眠在学习中的作用,这是他们不断努力开发神经植入物的一部分,该神经植入物将使瘫痪者更可靠地控制大脑的机器人肢体。在实验室动物的早期实验中,他指出,当动物在两次训练之间睡觉时,它们操作这些脑机接口的能力得到了最大的改善。

Ganguly说:“我们意识到我们需要了解睡眠期间学习和遗忘的发生方式,以了解如何将人工系统真正整合到大脑中。”

脑电波竞争确定睡眠中的学习

在这项新研究中,将十几只大鼠植入电极,以监测大脑运动皮层中少数选定神经元之间的放电,这涉及构思和执行自愿运动。产生特定形式的神经发射使大鼠能够控制笼子中的饮水管。从本质上讲,这些老鼠在进行一种生物反馈-每只老鼠都学会了如何以独特的新模式将小的神经元集合一起发射,以移动水龙头并取水。

Ganguly的团队观察到了睡觉时动物大脑中相同的独特新射击方式。睡眠过程中这种重新激活的强度决定了第二天大鼠控制喷水的能力。但是研究人员想走得更远-了解大脑如何控制老鼠在睡眠时学习还是忘记。

为了操纵非快速眼动睡眠期间脑电波的影响,研究人员对大鼠神经元进行了基因修饰,以表达光敏的光遗传学控制开关,从而使研究小组能够使用激光和光纤瞬时抑制与特定大脑的传播有关的大脑活动。波浪。借助精确的毫秒级激光定时,科学家们在单独的实验中,专门衰减了新存储电路周围大脑微小区域中的慢速振荡波或三角波。

三角波的破坏增强了睡眠期间与任务相关的神经活动的重新激活,并且与清醒时的更好表现相关。相反,缓慢振荡的中断导致唤醒后的性能较差。甘古利说:“缓慢的振荡似乎正在保护学习后神经放电的新模式,而三角波则倾向于消除它们并促进忘记。”

进一步的分析表明,为了保护学习,与第三种经过充分研究的脑电波现象(称为睡眠纺锤)必须同时发生缓慢的振荡。睡眠纺锤体是高频的,短暂的活动爆发,起源于称为丘脑的区域,然后传播到大脑的其他部位。它们与记忆巩固有关,缺乏正常的睡眠纺锤体与包括精神分裂症和发育迟缓在内的脑部疾病以及衰老有关。

甘古利说:“我们的工作表明,人们在睡眠中有很强的忘记力。” “非常短暂的一对睡眠纺锤和缓慢的振荡可以克服三角波驱动的遗忘并保持学习,但是这种平衡非常微妙。即使在这些事件中受到很小的干扰也会导致遗忘。”

Ganguly说,目前尚不清楚什么能提示在三角波驱动的遗忘和慢振动驱动的学习之间的规模,但是很显然,更好地理解这一过程可能会对人类学习和记忆的研究产生深远影响。 “睡眠确实在驱动着大脑的深刻变化。了解这些变化对于人工接口的大脑整合至关重要,也许有一天我们可以修改神经回路以帮助运动康复,例如中风后,以前的研究表明,睡眠在成功康复中起着重要作用。”

资金:这项研究由退伍军人事务部,国立卫生研究院,韩国国家研究基金会和Burroughs Wellcome基金资助。 Ganguly与进行实验的博士后研究员Jaekyung Kim和Tanuj Gulati设计了这项研究。

——文章发布于2019年10月3日

 

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