撰稿 | AiBrain 内容团队

排版 | AiBrain 编辑团队

睡眠对记忆巩固很重要¹。在慢波睡眠和安静清醒期间，海马会产生高频振荡波（ripple）。具体而言，在睡眠期间海马振荡波（HPC-R）对先前经历重新激活是一种众所周知的现象，而这一现象被认为有助于进行大脑记忆系统巩固。

虽然早期的研究提供了HPC-R，记忆再激活和记忆表现之间的联系，但直到过去十年，一些研究才开始探索并揭示两者之间的因果关系。他们使用闭环ripple波中断的方法，在线检测和中断休息/睡眠（即针对记忆巩固）或清醒（例如，目标记忆检索、工作记忆、计划或巩固）期间的振荡波ripple，并测试这是否会改变后续的记忆表现。

然而，虽然振荡波活动被认为是睡眠期间巩固的主要机制，但振荡波破坏效应尚未与睡眠剥夺对记忆巩固的影响直接进行比较。

2022年10月24日，英国爱丁堡大学认知与神经系统中心实验室（Centre for Cognitive and Neural Systems）Lisa Genzel团队在《PNAS》杂志上发表了题为“Sleep deprivation and hippocampal ripple disruption after one-session learning eliminate memory expression the next day”的研究文章，成功揭示了海马振荡波ripples破坏以及一次学习后的睡眠剥夺消除了长期记忆的产生，从而证明海马振荡波在巩固记忆中的关键作用²。

最初，研究人员确定在Plusmaze中的一次学习范式导致了长期记忆（24小时测试）并且依赖于睡眠。动物在Plusmaze中训练，结果发现，只有在睡眠而不是睡眠剥夺（Sleep-D）之后，动物才会记住前一天的目标位置（图1A）。

接下来，研究人员为了验证这种记忆与记忆巩固是否依赖于HPC-R活动。将植入刺激电极的动物进行尖波涟漪（ Sharp wave ripple)中断（SWR-D）、控制中断（SWR后200毫秒，Con-D）和基线（无刺激，No-D）。结果只有海马振荡波完好无损，动物们才能记住前一天的目标位置。因此，与HPC-R相关的睡眠和神经活动对于此任务中的长期记忆性能都是必要的。

图1

接下来，他们研究了Plusmaze训练后睡眠中的神经活动。他们设计三种不同的行为条件：在带有巧克力屑的线性轨道上觅食（F）、新奇体验（N）和Plusmaze（PM，然后用巧克力麦片进行15次试验）（图2A），记录了这些行为后的4小时睡眠期和非学习基线。

他们发现在非REM睡眠期间检测到海马体中的ripples振荡波（HPC）和右后顶叶皮层（PPC）的高频振荡，并将事件分为单个HPC，同时发生的HPC-PPC和单个PPC。与其他行为相比，Plusmaz训练后的HPC-PP和PPC更多（图2B）。海马振荡波（HPC）和顶叶高频振荡（PPC-HFO）的直方图显示PPC-HFO的双峰频率分布很明显（图2C），这在HPC-R中没有看到。在Plusmaze学习后，所有类型的事件都显示出显著的增加，但在高频（>155 Hz）单个PPC事件中观察到增幅最大（图2D，E，F）。

图2

随后，研究人员接下来在检测到不同类型的事件中测量相同频率范围内所有三个大脑区域的频谱能量（顶部，海马（HPC），顶叶皮层（PPC）；前额叶皮层（PFC））。

研究人员分析了单个HPC-R，以及慢速和快速PPC-HFO。对比表明，三种事件类型在大脑区域的频谱中存在差异（图3B-D）。

对于不同事件类型（单海马波纹HPC[黄色]、慢速[黑白阴影]和快速[黑色阴影]后顶叶皮层高频振荡[PPC-HFO]），显示了0–20 Hz和20–300 Hz频率的Granger因果关系分析以及六种可能的方向性。在较慢的频率中，高频PPC-HFO诱导前额叶皮层到海马和顶叶Granger值的增加。相比之下，在较快的频带中，所有事件的总体PFC与PPC均增加，PPC-HFO显示PFC与HPC值增加（图3E-F）。

最后，研究人员专注于在低频和高频范围内PFC到PPC以及PFC到HPC的

来提取更小，更具体的频段Granger值。结果显示，除PFC→HPC中的主轴范围以外的所有事件类型均有显著影响（图3G）。

图3

总之，以往破坏Ripple考察睡眠对记忆巩固的实验都是在多日的训练范式中进行，这些训练范式只会降低但不会消除记忆表现，并且没有与睡眠剥夺进行比较。本研究通过开发在单日进行十字迷宫学习范式，发现无论是通过轻柔的方式进行睡眠剥夺，还是用电刺激的方式破坏海马的Ripple，都会损害长期记忆。正常学习后，更快的皮层高频振荡增加，然而破坏了海马ripple后不再增加，这与Ripple在记忆巩固中的作用是一致的。