当你睡着时,你的大脑如何平衡学习与遗忘?

大脑也会断舍离?

大脑收集到的信息远跨越它所能保留的。我们成天都在领受新的信息,但仅有一部门能被保留到隔夜或者更久。睡眠似乎对这一进修和遗忘之间的均衡至关主要,它经由过程大脑电旌旗灯号的分歧模式来加固一部门的记忆,同时消弭另一部门的记忆,但在此过程中起感化的机制我们一向不清晰。

在2019年10月初陈述的一份研究中,研究人员将两种脑电波的对立感化分手开,从而解开了这一谜团:此中一种加强记忆,而另一种减弱记忆。

大脑若何对记忆进行处置,从而保留此中一部门而丢失落另一部门?分歧理论对这一问题的诠释之间存在矛盾。研究者简单地将这些脑电波彼此区分隔来后,起头形当作了一种可以和谐矛盾的诠释。这份研究的第一作者,加州大学旧金山分校的神经学副传授卡努纳什·甘古利(Karunesh Ganguly)说,我们尚未充实理解,睡眠若何能在记住和遗忘中都起到主要感化。

关于记忆巩固的理论大致分为两种阵营,而且各自都有一些证据的撑持。一种理论将持久的进修归结于在睡眠时被重现的脑勾当模式。这些神经发放的组合(ensembles)模拟了在原始进修过程中的旌旗灯号,这样的重现增强了神经元之间的突触毗连,从而使记忆根深蒂固。若是没有复现,理论上其他的突触毗连没有被加强,那么那些记忆该当会消亡。

-James Steinberg-

别的一个与之相对的理论是“突触削减”(synaptic downscaling)。良多研究者都相信,在这个过程中大脑更活跃地断根失落无用的记忆。因为进修过程涉及到要加强大脑毗连的神经勾当,需要耗能,而在睡眠中,标的目的大脑毗连的供能更少,使得那些不太具有持久主要感化的毗连被减弱。去除失落这些来自于无用记忆的布景噪音使得大脑的旌旗灯号加倍清楚,并使大脑连结高效。

在记忆的连结中,与睡眠相关的分歧的脑电波模式的感化是什么?这项新的研究着眼于这个问题,在这些理论中成立起了桥梁。

睡眠的时辰大脑都发生了什么

长达数十年来,对于加强和丢掉记忆的研究都本家儿要集中在两种脑电波模式上:慢震动(slow oscillations)和“睡眠纺锤波”(sleep spindles)。慢震动,以岑岭值和低频率为特征,扫过大部门的脑区。睡眠纺锤波是在非快速眼动睡眠期(没有快速的眼动而且一般很少做梦的睡眠阶段)每隔几秒钟呈现的高频勾当的爆发(bursts)。当与睡眠纺锤波相连系时,慢震动变得对于记忆的巩固至关主要。比拟之下,δ波比慢震动略小,而且倾标的目的于在大脑局部呈现。因为慢震动和δ波一般在睡眠中同时呈现而且很难区分,凡是它们一路被归为慢波。

然而识别出慢震动和δ波之间的差别恰是这篇最新颁发的研究发现的关头之处。

金在京(Jaekyung Kim)和塔努吉·古拉第(Tanuj Gulati)一路工作,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本家儿要作者,后者是来自洛杉矶西达斯-西奈医学中间(Cedars-Sinai Medical Center)的生物医学科学和神经学的副传授。操纵奖励机制,他们练习大鼠进修一项新的技术。这项技术涉及到在活动皮层的一种特定的神经勾当。在晚上,当大鼠进入睡眠时,研究者按捺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术的记忆。经由过程检测这些记忆是获得了晋升仍是变得更差,研究人员可以进一步探讨分歧种类的脑电波的功能。

20多年前的一项在猫上的研究初次不雅察到了两种波之间的差别特征,金操纵这些特征,用精确的判别尺度在他所记实的大鼠的脑中将慢震动从δ波平分离出来。已知在记忆的巩固中,慢震动有着主要的感化。是以,当研究者去除了慢震动后,大鼠的进修应该会发生退化。成果不出所料。

慢震动和δ波的区别

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

但让研究者感应惊奇的是,当他们侵扰δ波时,他们不雅察到了相反的结果:大鼠的记忆晋升了。

“我没有想到按捺慢震动会有分歧于按捺δ波的结果。”综合生物学和心理学家吉娜·波(Gina Poe)说。她没有预料到脑电波之间的差别会具有如斯的主要性,可是她说这项研究的成果和很多其他的研究发现相吻合。“这就像是缺掉的那块拼图。”她弥补道。

这些相竞争的功能暗示了此前两种关于记忆巩固的主要理论的内涵机制。纺锤波与慢震动彼此嵌合。在以前,甘古利的团队曾将这一现象与神经勾当组合的重现以及记忆的加强联系起来。与此同时,δ波似乎会减弱大脑的毗连而使得记忆退化,这一过程可能是经由过程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普遍地研究。经由过程把δ波的功能考虑在内,这项研究揭示这两种波之间的均衡。这样的均衡同时也是进修和遗忘之间的均衡。“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,它可以或许依据其他信息来节制记忆的开关。”

事实上,慢震动和δ波互相竞争着与纺锤波进行时候对齐。纺锤波和慢震动在多大比率同步,这与大鼠能多好地记住它们的新技术当作相关关系;而若是将慢震动和δ波二者与纺锤波的同步率都考虑进来,我们对于大鼠进修行为的展望则会好更多。并非只有慢震动可以影响进修;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,还对于在准确的时候记得准确的工作至关主要。”加州大学欧文分校的精力病学和人类行为副传授布莱斯·曼德(Bryce Mander)说。

但这种均衡很微妙,可能会被任何工作侵扰,从大脑毁伤到睡眠褫夺。因为大脑毁伤今后凡是跟从着脑电波的转变,δ波和慢震动的比例转变可能是延续性的记忆阑珊的原因之一,甘古利说道。这些脑电波之间的关系可能在一种加倍遍及的现象中起着感化——陪伴着衰老的认知阑珊。

在美国加州大学旧金山分校,神经科学家卡努纳什·甘古利在他的尝试室里与一个同事扳谈。屏幕上显示的是他们所研究的慢震动和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不雅察到,睡眠纺锤波与分歧的波有分歧的交互。纺锤波倾标的目的于与慢震动的一个相位耦合,可是会锁定在δ波的另一个分歧的相位上。纺锤波在衰老的大脑中也表示出了这一连系相位的偏移现象,因为它们嵌合到慢波的分歧的点上。若是δ波在衰老的大脑中更遍及存在的话,这可能就有助于诠释衰老这种转变,曼德说道。

δ波还一向被更直接地和痴呆联系在一路。成长出淀粉样斑块是阿尔兹海默症的一个标记,在表示出该症状的大脑中,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况下,并且在清醒状况下也能发现δ波。“您会发现δ波到处可见。”曼德说道。它们的呈现暗示了记忆障碍是若何在大脑中表现的。

脑电波在竞争什么?

关于彼此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范畴呢?这取决于这样的机制是否会在其他模式的进修中呈现。波举了一个例子。好比说,进修活动技巧所需要脑区域,可能就不会介入到其它种类的进修中。所以,今朝我们尚不清晰,这样的关于彼此竞争的脑电,是否存在于所有种类的记忆中。

δ波可能具有分歧于慢震动的功能这一发现,也开导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,但仍不克不及晋升进修和记忆;将来对于在这些药物影响下的慢波均衡进行研究,也许可以说明其原因。关于慢震动和δ波别离起到什么感化,经由过程跟踪记实睡眠中的慢波数据,也许还能获得更多新的深刻看法。别的,加强记忆的可能方式,比拟于致力于促进发生更多的慢震动,侵扰δ波也许会被最终证实是可行的。如何的干涉干与手段可以提高进修,对具有超凡记忆力的人的大脑勾当进行研究,同样也可能给这类问题供给构思。“这篇论文开启了一片全新的研究范畴。”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此刻这样多的睡眠。证据表白,慢波和睡眠纺锤波的耦合在几小时的睡眠中仅仅占有几秒钟;此中只需要少数几回的耦合事务就可以带来对于记忆的持续性的持久改变。“那样对于我们的环路完当作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:

本文基于CC-BY和谈翻译



  • 发表于 2020-04-11 02:00
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