大脑也会断舍离?

大脑收集到的信息远超过它所能保留的。我们整天都在接收新的信息,但仅有一部分能被保留到隔夜或者更久。睡眠似乎对这一学习和遗忘之间的平衡至关重要,它通过大脑电信号的不同模式来加固一部分的记忆,同时消除另一部分的记忆,但在此过程中起作用的机制我们一直不清楚。

在2019年10月初报告的一份研究中,研究人员将两种脑电波的对立作用分离开,从而解开了这一谜团:其中一种增强记忆,而另一种削弱记忆。

大脑如何对记忆进行处理,从而保留其中一部分而丢掉另一部分?不同理论对这一问题的解释之间存在矛盾。研究者简单地将这些脑电波相互区分开来后,开始形成了一种可以调和矛盾的解释。这份研究的第一作者,加州大学旧金山分校的神经学副教授卡努纳什·甘古利(Karunesh Ganguly)说,我们尚未充分理解,睡眠如何能在记住和遗忘中都起到重要作用。

关于记忆巩固的理论大致分为两种阵营,并且各自都有一些证据的支持。一种理论将长期的学习归结于在睡眠时被重现的脑活动模式。这些神经发放的组合(ensembles)模拟了在原始学习过程中的信号,这样的重现加强了神经元之间的突触连接,从而使记忆根深蒂固。如果没有复现,理论上其他的突触连接没有被增强,那么那些记忆应当会消亡。

-James Steinberg-

另外一个与之相对的理论是“突触削减”(synaptic downscaling)。很多研究者都相信,在这个过程中大脑更活跃地清除掉无用的记忆。因为学习过程涉及到要增强大脑连接的神经活动,需要耗能,而在睡眠中,向大脑连接的供能更少,使得那些不太具有长期重要作用的连接被削弱。去除掉这些来自于无用记忆的背景噪音使得大脑的信号更加清晰,并使大脑保持高效。

在记忆的保持中,与睡眠相关的不同的脑电波模式的作用是什么?这项新的研究着眼于这个问题,在这些理论中建立起了桥梁。

睡眠的时候大脑都发生了什么

长达数十年来,对于增强和丢失记忆的研究都主要集中在两种脑电波模式上:慢震荡(slow oscillations)和“睡眠纺锤波”(sleep spindles)。慢震荡,以高峰值和低频率为特征,扫过大部分的脑区。睡眠纺锤波是在非快速眼动睡眠期(没有快速的眼动并且一般很少做梦的睡眠阶段)每隔几秒钟出现的高频活动的爆发(bursts)。当与睡眠纺锤波相结合时,慢震荡变得对于记忆的巩固至关重要。相比之下,δ波比慢震荡略小,并且倾向于在大脑局部出现。因为慢震荡和δ波一般在睡眠中同时出现并且很难区分,通常它们一起被归为慢波。

然而识别出慢震荡和δ波之间的差异正是这篇最新发表的研究发现的关键之处。

金在京(Jaekyung Kim)和塔努吉·古拉第(Tanuj Gulati)一起工作,前者是来自加州大学旧金山分校的博士后研究员,同时也是这项研究的主要作者,后者是来自洛杉矶西达斯-西奈医学中心(Cedars-Sinai Medical Center)的生物医学科学和神经学的副教授。利用奖励机制,他们训练大鼠学习一项新的技能。这项技能涉及到在运动皮层的一种特定的神经活动。在晚上,当大鼠进入睡眠时,研究者抑制动物大脑中选定的某种脑电波模式。第二天,他们会测试大鼠对于新技能的记忆。通过检测这些记忆是得到了提升还是变得更差,研究人员可以进一步探究不同种类的脑电波的功能。

20多年前的一项在猫上的研究首次观察到了两种波之间的差异特征,金利用这些特征,用准确的判别标准在他所记录的大鼠的脑中将慢震荡从δ波中分离出来。已知在记忆的巩固中,慢震荡有着重要的作用。因此,当研究者去除了慢震荡后,大鼠的学习应该会发生退化。结果不出所料。

慢震荡和δ波的区别

—Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

但让研究者感到惊讶的是,当他们扰乱δ波时,他们观察到了相反的效果:大鼠的记忆提升了。

“我没有想到抑制慢震荡会有不同于抑制δ波的效果。”综合生物学和生理学家吉娜·波(Gina Poe)说。她没有预料到脑电波之间的差异会具有如此的重要性,但是她说这项研究的结果和许多其他的研究发现相吻合。“这就像是缺失的那块拼图。”她补充道。

这些相竞争的功能暗示了此前两种关于记忆巩固的重要理论的内在机制。纺锤波与慢震荡相互嵌合。在以前,甘古利的团队曾将这一现象与神经活动组合的重现以及记忆的增强联系起来。与此同时,δ波似乎会削弱大脑的连接而使得记忆退化,这一过程可能是通过某种形式的突触削减来实现的。

甘古利说,δ波的这一特点还没有被广泛地研究。通过把δ波的功能考虑在内,这项研究揭示这两种波之间的平衡。这样的平衡同时也是学习和遗忘之间的平衡。“这是一个推拉系统(push-pull system),”他说,“在大脑中存在一种动态过程,它能够依据其他信息来控制记忆的开关。”

事实上,慢震荡和δ波互相竞争着与纺锤波进行时间对齐。纺锤波和慢震荡在多大比率同步,这与大鼠能多好地记住它们的新技能成相关关系;而如果将慢震荡和δ波二者与纺锤波的同步率都考虑进来,我们对于大鼠学习行为的预测则会好更多。并非只有慢震荡可以影响学习;看上去δ波也有很大的影响力。“这二者可能不止是对于记住不忘,还对于在正确的时间记得正确的事情至关重要。”加州大学欧文分校的精神病学和人类行为副教授布莱斯·曼德(Bryce Mander)说。

但这种平衡很微妙,可能会被任何事情扰乱,从大脑损伤到睡眠剥夺。由于大脑损伤以后通常跟随着脑电波的变化,δ波和慢震荡的比例变化可能是延续性的记忆衰退的原因之一,甘古利说道。这些脑电波之间的关系可能在一种更加普遍的现象中起着作用——伴随着衰老的认知衰退。

在美国加州大学旧金山分校,神经科学家卡努纳什·甘古利在他的实验室里与一个同事交谈。屏幕上显示的是他们所研究的慢震荡和δ波的波形。(译者注:右为甘古利)

—Steve Babuljak for UCSF, 2016

甘古利和他的团队在研究中观察到,睡眠纺锤波与不同的波有不同的交互。纺锤波倾向于与慢震荡的一个相位耦合,但是会锁定在δ波的另一个不同的相位上。纺锤波在衰老的大脑中也表现出了这一结合相位的偏移现象,因为它们嵌合到慢波的不同的点上。如果δ波在衰老的大脑中更普遍存在的话,这可能就有助于解释衰老这种变化,曼德说道。

δ波还一直被更直接地和痴呆联系在一起。发展出淀粉样斑块是阿尔兹海默症的一个标志,在表现出该症状的大脑中,δ波激增。在晚期阿尔兹海默症者身上,不仅是他们处于睡眠状态下,而且在清醒状态下也能发现δ波。“你会发现δ波随处可见。”曼德说道。它们的出现暗示了记忆障碍是如何在大脑中体现的。

脑电波在竞争什么?

关于相互竞争的脑电波的这些研究,是否能被扩展到像衰老这样的其他领域呢?这取决于这样的机制是否会在其他模式的学习中出现。波举了一个例子。比如说,学习运动技巧所需要脑区域,可能就不会参与到其它种类的学习中。所以,目前我们尚不清楚,这样的关于相互竞争的脑电,是否存在于所有种类的记忆中。

δ波可能具有不同于慢震荡的功能这一发现,也启发了对睡眠和记忆研究中的几个问题的可能解法。例如,尽管一些药物改善了睡眠,但仍不能提升学习和记忆;未来对于在这些药物影响下的慢波平衡进行研究,也许可以阐明其原因。关于慢震荡和δ波分别起到什么作用,通过跟踪记录睡眠中的慢波数据,也许还能得到更多新的深刻见解。另外,增强记忆的可能方法,相比于致力于促进产生更多的慢震荡,扰乱δ波也许会被最终证明是可行的。怎样的干预手段可以提高学习,对具有超凡记忆力的人的大脑活动进行研究,同样也可能给这类问题提供构想。“这篇论文开启了一片全新的研究领域。”曼德说道。

在金的工作后面仍悬而未决的一个问题是:为什么我们人和其他动物需要像我们现在这样多的睡眠。证据表明,慢波和睡眠纺锤波的耦合在几小时的睡眠中仅仅占据几秒钟;其中只需要少数几次的耦合事件就可以带来对于记忆的持续性的长期改变。“那样对于我们的环路完成自我重塑已经足够了。”波说道。

译者:OrangeSoda|审校:曹安洁

封面:Daniel Liévano|排版:语月

原文:https://www.quantamagazine.org/dueling-brain-waves-anchor-or-erase-learning-during-sleep-20191024/

本文基于CC-BY协议翻译

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