睡眠与记忆巩固综述

精品文档 1欢迎下载 睡眠与记忆巩固的研究进展睡眠与记忆巩固的研究进展 摘摘 要要 睡眠活动占据着我们一生中大约 1 3 的时间 其意义获得了很多学者的 关注 近二十年来 睡眠与记忆巩固的关系成为了其中很重要的研究 得到了 涉及行为学 生理学 细胞学和分子学等水平的实验证据支持 并且逐步发展 出了再刺激 巩固理论 突触稳态假说和记忆片段重演重叠理论来对睡眠依赖 的记忆巩固进行解释 本文概括了近十几年来支持睡眠依赖记忆巩固的实验证 据 介绍了有关解释理论 并对现有问题和未来研究方向进行了总结和展望 关键词关键词 睡眠 记忆巩固 再激活 巩固理论 突触稳态假说 记忆片段重演重叠 1 导言 关于睡眠与学习和记忆巩固的问题很早就得到了人们的关注 在公元之初 罗马的修辞学者昆体良就对于睡眠的利处做出过如下的论述 起初无法重复 的东西等到下一天就会被熟记 这一通常被认为会造成遗忘的关键时刻其实是 可以加强记忆的 这一论述很长时间都以常识的形式存在 直到 1994 年 Karni Sagi 等人的研究才建立起了睡眠和记忆的联系 之后的十几年中 有 关睡眠依赖 sleep dependent 学习和记忆巩固的研究雨后春笋般出现 并且得 到了来自分子 细胞 生理学和行为学等多角度的证据支持 Stickgold 2005 睡眠与记忆巩固关系的研究所面对的最大的问题之一就是记忆和记忆的巩 固是一个复杂而非单一的过程 所以控制其他因素的影响 从不同角度切入成 为了一个突破口 另外 对于睡眠和记忆巩固背后机制的探讨也存在争议 再 激活 巩固假说和突触稳态假说以及最近出现的 记忆片段重演重叠 是解释 睡眠和记忆的几大理论 也各自获得了大量的证据支持 同时也各自存在着缺 陷 本文就旨在对近几年来有关睡眠和记忆巩固关系的研究进行回顾 对两种 不同的解释机制进行分析 并且针对目前研究的进展对将来的研究提出展望 2 睡眠与记忆巩固的研究证据 随着睡眠与记忆巩固的研究得到越来越多人的关注 心理学家 生物学家 以及神经科学家等从不同的角度发现睡眠在大脑的记忆塑造上所扮演的重要角 色 2 1 行为水平研究 精品文档 2欢迎下载 记忆巩固指的是学习之后记忆加工过程 从而能够有效指导行为 因此我 们可以用学习记忆之后的行为改变作为记忆巩固效果评价的指标 而目前对于 记忆的分类 我们根据是否有意识参与 将记忆分为包括情景和语义记忆的陈 述性记忆 以及包括启动 程序性记忆和条件反射的非陈述性记忆 于是 对 于睡眠和记忆巩固的研究 睡眠剥夺是研究睡眠的记忆功能通常采用的研究范 式 通过比较学习后是否进行睡眠导致的不同行为 可以直接证明睡眠的记忆 巩固功能 另外 将个体暴露于丰富环境或者学习后导致的睡眠结构的改变也 可以间接证明记忆的巩固需要睡眠 2 1 1 睡眠剥夺与陈述性 非陈述性记忆 陈述性记忆指的是可以直接用意识提取的记忆 包括与事件过程有关的情景 记忆和与世界知识有关的语义记忆 在 Gais 等人 2006 的研究中 被试在进行 一项英语 德语单词的学习记忆后 剥夺其第一晚的全部睡眠 48h 后发现实验 组的平均遗忘率为 15 而控制组则基本没有遗忘 证明了睡眠剥夺可以损害 陈述性记忆的巩固 而 Stickgold 2005 的手指顺序运动技巧学习任务发现 被试进行手指顺 序运动学习之后成绩稳步提升至 60 左右 随后一组被试剥夺睡眠 4 12 小时 发现其成绩并没有增长 而一组进行睡眠的被试则表现除了 20 的速度增长 实验还发现甚至 90 分钟的打盹儿都可以造成 16 的速度提升 由于手指顺序运 动属于无需意识参与的程序性记忆 所以证明睡眠也会对于非陈述性记忆产生 影响 综上我们可以发现 学习后睡眠剥夺对陈述性记忆和非陈述性记忆的巩固 过程均有损害 2 1 2 REM 睡眠剥夺与记忆巩固 上面的结论只是揭示了睡眠与记忆巩固确实有关 而为了探究不同睡眠阶 段的记忆巩固功能的差异 实验室通常采用 REM 睡眠剥夺的方式 Maquet 2001 在 一项大鼠双向穿梭回避反射的研究中发现 选择性剥夺训练后 9 12h 或者 17 20h 时间窗口的 REM 睡眠 大鼠的行为改进过程完全受损 这一点在 Morris 水 迷宫实验 复杂性压杆操作训练和恐惧反射等海马依赖和非海马依赖的记忆中 也都获得了相似的结论 Holland 和 Lewis 2007 对于人类情感记忆的研究发现 如果将被试 3h 内的 REM 睡眠剥夺之后 其与情感相关的陈述性记忆不能巩固 针对睡眠剥夺的范式 有学者提出疑问 会不会是因为睡眠剥夺引起的非 特异性反应 如应激效应等 而非睡眠剥夺本身对记忆巩固产生了负性影响 但 是 Ruskin 等人将肾上腺切除术之后的大鼠 通过植入药片维持生理皮质酮水平 精品文档 3欢迎下载 和正常大鼠在训练前同时进行睡眠剥夺 训练后行为测试没有观察到差异 说 明睡眠剥夺不是应激反应的结果 李洋 王得春 胡志安 2008 2 1 3 学习后睡眠结构的改变 以上的睡眠剥夺的实验都是针对睡眠剥夺后对行为的影响 其实 记忆行 为本身也会对睡眠结构本身产生影响 学习后睡眠总时间延长 特定睡眠状态 的延长或者某种睡眠脑电活动增强等睡眠结构的改变 都可以简介证明学习后 的记忆巩固需要睡眠的参与 对于啮齿动物的研究发现 连续三周将大鼠暴露于丰富环境 随后的睡眠 时间明显延长 对于人类语言学习的研究也发现 学习后 NREM 睡眠周期平均持 续时间增长程度与回忆效果成正比 李洋 王得春 胡志安 2008 Indrani 等人 2006 在Science上对于果蝇的研究甚至也发现了相似的结果 以上结果都说明 学习记忆和睡眠之间不是单纯的作用与被作用的关系 而是 存在着相互影响的交互 2 2 细胞水平研究 除了容易观察到个体行为和生理神经活动的研究 研究者将研究范围扩大 试图从细胞水平找到支持睡眠与记忆相关的证据 研究发现 睡眠对于猫视觉系统的经验依赖塑造起作用 对于猫的知觉实 验曾发现 单眼的视觉的剥夺 6h 会降低被剥夺眼视皮层细胞神经反应 但是 当剥夺之后经历 6h 的睡眠 这个效果会得到加强 仿佛猫咪又经历了 6h 的视 觉剥夺一般 Frank Issa Stryker 2001 这个实验证明了睡眠确定影响 到视觉细胞的学习与记忆的巩固 2 3 分子水平研究 随着研究手段的不断丰富 科学家们将目标指向了对睡眠和记忆巩固关系 的分子水平的研究 研究者们在老鼠中发现 基因的表达与觉醒和睡眠有关 大量的有关于基因芯片的研究证实 大约 10 的大脑皮层和小脑的基因表达在 白天和黑夜中经历波动 其中有一半在觉醒和睡眠状态下表达存在差异 有一 些基因在睡眠期间会提升表达程度 其中包括那些编码钙调蛋白激酶 IV 和磷酸 酶的基因 而上述两种物质被认为与大脑重塑以及记忆巩固有关 Cirelli Gutierrez Tononi 2004 另外 基因表达在睡眠时也会依赖行为模式进 行激活 实验发现当被试暴露在丰富环境下 其有关功能依赖性突触重塑以及 与海马的长时程增强的zif 268基因会在 REM 睡眠过程中被诱发表达 首先在 精品文档 4欢迎下载 杏仁核 内嗅皮层 听觉皮层 随后在 REM 期间扩散至感觉和运动皮层 Ribeiro et al 1999 2 4 梦境与记忆巩固 除了可观察的客观的行为 生理或者神经活动的改变 人的梦境也可以反 映出睡眠中大脑的活动 虽然这一点基于的是被试的主观报告 但是也可以为 记忆巩固提供证据 对刚结束俄罗斯方块游戏被试的梦境分析发现 与我们通常的看法不同 我们在睡梦中很少会重演 replay 我们的情景记忆 这一点也得到了遗忘病人 忘记刚才玩过游戏 相同的结果 这一点证明梦境的建构并没有伴随着基于 海马调节的情景记忆的激活 而是将清醒时事件中关键元素的图像分离了出来 这个实验还进一步证明我们睡梦状态下的记忆巩固并不仅仅是对于过去记忆的 不断重演 而是存在着分离和重新建构 Stickgold et al 2000 3 对睡眠依赖记忆巩固的理论解释 对于睡眠与记忆巩固关系的解释 之前主要存在着两种不同的理论 即再激 活 巩固假说和突触稳态理论 另外 最新的研究还提出了一种融合以上两种 假说的新理论 记忆片段重演重叠 overlapping memory replay 3 1 再激活 巩固假说 许多学者认为 记忆信息获得之后暂时存储于海马 然后逐渐转移至新皮层 长期储存 觉醒状态下编码的信息在睡眠过程中以一种类似 重演 的隐秘方 式再激活 这些活动有利于神经网络中神经元连接加强或减弱 海马和新皮层 间的信息转移 新的经历更容易转变为长时记忆 从而完成了记忆的巩固 该理论的拥趸进行了许多实验来作为证据支持 动物实验中 当大鼠觉醒时 被长时间限制在某个海马位置细胞的位置野 location field 时 该细胞剧烈 放电 而其它位置的神经元不放电 随后对睡眠期间细胞的放电进行再次探测 发现觉醒期间放电活跃的神经元放电也增多 而起先不放电的细胞仍处于静息 电位 Rasch Born 2008 另外 位置野重复位置细胞之间存在放电高相关 在随后的睡眠期间也存在着高的放电相关 Ji Wilson 2007 以上实验结 果说明单独神经元的短暂放电模式以及其与其它神经元之间建立的放电同步在 睡眠得到了重演 这一点也在鸟类 灵长类等动物 以及感觉皮层 纹状体等 大脑结构中得到了证实 Rasch Born 2008 精品文档 5欢迎下载 对于人体的研究采用的是非创伤性功能影像技术 利用这一技术 Maquet 2000 等首次发现与动物实验类似 人类被试学习时激活的脑区在随后 的 REM 睡眠中活动也增强了 另外 进一步的研究还发现 非陈述性记忆在 REM 睡眠中被重新激活而陈述性记忆在 SWS 睡眠中被重新激活 并且特定脑区 激活程度越强 相关的记忆检索越容易 证明了此神经活动与记忆巩固有关 另外 Rasch 等 2007 在被试的睡眠过程中施加了一种记忆信号气味诱发重演 结果发现施加特定的气味刺激 SWS 睡眠期间海马活动增强 先前学习的空间 定位记忆任务 海马依赖 的行为后测效果也更好 也暗示了海马的再次激活确 实会帮助我们巩固记忆 然而 也有一些学者对这种 重演 的方式产生了质疑 因为实验发现进 行 重演 的神经元相对比例较少 仅仅占总记录神经元数量的 12 15 Rasch Born 2008 还有就是实验发现睡眠过程中与突出强化有关 的分子表达下降 而与突触抑制有关的分子表达上调 这个与再刺激期间突触 连接的强化相矛盾 胡志安 李 陈 2009 另外 迄今为止还没有找到睡眠 中突触强化的直接证据 张永鹤 盛 2013 3 2 突触稳态假说 突触稳态假说认为 觉醒学习期间许多神经环路中的突触连接广泛增强 同时诱发睡眠需要增加 而睡眠中记忆的巩固是突触活性整体下调的副产物 睡眠时 突触会重新正常化或者下调 下调的目的是为了使得每个神经元的总 突触强度或突触权重返回到基线水平 从而抵抗觉醒状态下连续学习引发的能 量消耗增加和学习能力饱和 胡志安 李陈 2009 另外 突触权重的下降可 以引起信噪比增加 和新近学习无关的局部突触权重降低至阈值以下 从而形 成了对于新近记忆的巩固 前文对于睡眠剥夺的证据证明 长时间的觉醒会损害依赖海马的学习记忆 Mcdermott 等 2003 从细胞层面观察海马神经元形成的 LTP 发现连续觉醒学习 72h 不但减弱了海马神经元的兴奋性 还会使得神经元形成的 LTP 能力降低 55 Whitlock 2006 针对海马神经元给予刺激 发现经过学习任务的学习组给 予一次高频 LTP 就达到了饱和 而无学习任务的对照组需要第二次 说明学习 相关的局部兴奋性突触后电位增强阻断随后的 LTP 产生 随后利用生理指标 SWA 和突触强化的关系进行实验 结合外在的行为结果 发现睡眠后突触权重 会减弱 SWA 降低 从而使得学习能力得到了恢复 以上实验的结果运用突触稳态假说可以解释为 觉醒期间机体接受外界刺 激从而导致突触权重增加 并且消耗掉了大量的能量和空间 海马神经元形成 LTP 能力下降 学习能力趋于饱和 而睡眠期间 机体与环境分离 突触权重 精品文档 6欢迎下载 得以下降 学习能力得以恢复 新近的记忆得以巩固 突触稳态假说虽然具有大量的证据支持 并且解释了与再刺激 巩固模型 不能解释的睡眠过程中突触抑制有关分子的上调 但是它也并不是十全十美的 因为睡眠过程不仅包括 SWS 还包括 REM 此理论现阶段只提供了 SWS 期间的 SWA 生理指标 对 REM 无法提供准确解释 另外 SWS 中脑部结构的 EEG 并非表 现为 SWA 对于此结构突触稳态理论也无法提供良好的解释 胡志安 李陈 2009 3 3 记忆片段重演重叠 虽然上述两种理论存在着某些实验证据上的矛盾与分歧 但是 它们并不 存在绝对不能调和的本质区别 例如 Rosanova 和 Ulrich 2005 的研究发现 突触可塑相关的蛋白的表达在整体上是下降的 这一点符合突触稳态理论 但 是也发现在某些特定的区域蛋白表达有所增加 这一结果提示我们大脑中或许 同时存在着这两种睡眠依赖的记忆巩固模式 只是因为它们在不同区域和时间 的效果不同 2011 年 Lewis 和 Durrant 综合两种理论以及前人的实验结果 第一次提 出了 记忆片段重演重叠 overlapping memory replay 的概念 Lewis Durrant 2011 该理论认为 在慢波睡眠期间 多个记忆片段重演 成分会 出现重叠 这种重叠可能同时发生也可能序贯发生 当多个记忆片段重演同时发生时 类似于再激活 巩固假设 编码相同记 忆的神经元具有共同的突触联系电活动增强 彼此之间的连接得到加强 尽管 这种学习方式最初只是增强了两个同时重演的记忆片段之间的联系 但是与两 个片段相关的脑区都会得到激活 而突触稳态假说中 深度睡眠 SWS 期间突触 联系强度下降 但是重叠重演的记忆脑区之间的突触联系增强 非重叠重演部 分突触强度下降最终被消除 而如果记忆的重叠重演是序贯发生 多个记忆片段相关神经元再次激活 突触联系得到更加精细的调节 再激活 巩固假设 而如果序贯发生的重演间 隔过长 突触强度会在 SWS 期间下调 突触稳态假说 记忆重演发生次数和重 演间隔最终决定了哪些记忆片段会得到巩固 4 小结与展望 从 1994 年 Karni 和 Sagi 开始用实验验证睡眠与记忆巩固之间关系开始 历时不过 20 年 睡眠和记忆巩固的研究已经获得了突飞猛进的进展 随着计算 精品文档 7欢迎下载 机技术和 EEG fMRI 等技术的产生与发展 以及生物遗传等跨学科的研究 科 学家们从行为水平 生理水平 细胞水平和分子水平等发面对睡眠与记忆巩固 的关系进行证实和全面的探究 针对这些发现 科学家们首先提出了再激活 巩固模型和突触稳定假说来对睡眠依赖记忆进行解释 再激活 巩固理论认为 记忆巩固发生在睡眠过程中的 重演 导致的突触连接的强化以及海马与新皮层 的沟通加强 而突触稳态假说认为记忆巩固是睡眠过程中与新近记忆无关的局 部突触权重下降而导致的对新近记忆的优势 同时 前者存在着直接证据不明 的缺陷 后者存在适应范围有限的束缚 而后 Lewis 和 Durrant 提出了综合 两种理论的 记忆片段重演重叠 的概念 进一步完善了睡眠依赖记忆的理论 解释模型 但是 现存的实验证据和理论模型仍然存在着许多值得进一步探讨 的问题 首先对于睡眠对记忆巩固的模式 科学家先前认为睡眠帮助我们记忆 新 近 的记忆或者巩固某种非陈述性的技能 然而 Wagner 2009 的实验发现睡眠 的记忆巩固效果不止如此 Wagner 让被试解决一个简单任务 其包含一个耗时 长但是明显的解决方案和一个耗时短但是隐藏的解决方案 实验组被试在睡眠 前完成这个任务 并且睡眠后重新解决问题 发现被试的比起睡前采用更多隐 藏方案 这一点说明 睡前任务建立的解决问题的方式在睡眠中得到了重构 restructure 记忆的重构为我们带来了新的启示 睡眠依赖的记忆巩固可能 不仅仅是特定区域的突触联系的增强 也可能存在着激活和扩散 但是究竟大 脑中什么结构起作用 机制如何 这一点需要更多的神经科学的证据支持 另外 在解释记忆巩固的机制方面 虽然有最新的 记忆片段重演重叠 的 统一 然而其也只是将再激活 巩固模型和突触稳态假说的主要内容整合了起 来 它并没有能够解决一些两种理论都没有能够解决的问题 例如 SWS 状态下 突触连接水平的变化衡量 SWS 睡眠发生后 REM 睡眠自然发生对记忆的意义 Eschenko et al 2008 等 未来的研究可以针对先前的模型进行进一步改进 或许可以发现不同阶段和不同类型的记忆运用的是不同的巩固机制 另外 睡眠依赖记忆在临床治疗上的应用 如何排除睡眠学习记忆中压力 水品 血氧含量 影响水平等因素的影响 Siegel 2001 将记忆及其潜在的 神经系统进一步分离并探究哪些部分会进入睡眠依赖的记忆巩固阶段 睡眠阶 段外显记忆对于内隐记忆巩固的影响 以及编码和记忆巩固阶段前额叶 海马 神经回路的激活巩固等问题 Marshall Born 2007 这些都值得我们做进一 步的思索与探究 参 考 文 献 精品文档 8欢迎下载 Cirelli C Gutierrez C M Tononi G 2004 Extensive and divergent effects of sleep and wakefulness on brain gene expression Neuron 41 1 35 43 Eschenko O Ramadan W M lle M Born J Sara S J 2008 Sustained increase in hippocampal sharp wave ripple activity during slow wave sleep after learning Learning Memory 15 4 222 228 Frank M G Issa N P Stryker M P 2001 Sleep enhances plasticity in the developing visual cortex Neuron 30 1 275 287 13 Gais S Lucas B Born J 2006 Sleep after learning aids memory recall Learning Memory 13 3 259 62 Indrani G F Jeff D Shaw P J 2006 Waking experience affects sleep need in drosophila Science 313 5794 1775 1781 Ji D Wilson M A 2007 Coordinated memory replay in the visual cortex and hippocampus during sleep Nature Neuroscience 10 1 100 7 Lewis P A Durrant S J 2011 Overlapping memory replay during sleep builds cognitive schemata Trends in Cognitive Sciences 15 8 343 351 Maquet P 2001 The role of sleep in learning and memory Science 294 5544 1048 1052 Maquet P Laureys S Peigneux P Fuchs S Petiau C Phillips C et al 2000 Experience dependent changes in cerebral activation during human rem sleep Nature Neuroscience 3 8 831 836 Marshall L Born J 2007 The contribution of sleep to hippocampus dependent memory consolidation Trends in Cognitive Sciences 11 10 442 450 McDermott C M LaHoste G J Chen C Musto A Bazan N G Magee J C 2003 Sleep deprivation causes behavioral synaptic 精品文档 9欢迎下载 and membrane excitability alterations in hippocampal neurons Journal of Neuroscience 23 29 9687 9695 Philip H Lewis P A 2007 Emotional memory selective enhancement by sleep Current Biology Cb 17 5 R179 R181 Rasch B Born J 2008 Maintaining memories by reactivation Current Opinion in Neurobiology 17 6 698 703 Rasch B B chel C Gais S Born J 2007 Odor cues during slow wave sleep prompt declarative memory consolidation Science 315 5817 1426 1429 R