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IF：47.728

亮點(diǎn)：

本文回顧了非快速眼動(dòng)睡眠期間的尖波漣漪、皮層慢振蕩、δ波和紡錘波，以及快速眼動(dòng)睡眠期間的θ振蕩等電信號(hào)如何指導(dǎo)我們理解在睡眠期間維持記憶鞏固的電路和過(guò)程，重點(diǎn)關(guān)注海馬θ振蕩和尖波漣漪，以及它們?nèi)绾闻c皮質(zhì)模式協(xié)調(diào)。最后強(qiáng)調(diào)了這些大腦模式如何維持依賴睡眠的穩(wěn)態(tài)過(guò)程，并為睡眠記憶功能的研究提出了幾個(gè)潛在的未來(lái)方向。

記憶形成是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的過(guò)程，選擇哪些新的經(jīng)驗(yàn)將被存儲(chǔ)并整合到需要同時(shí)保存和修改的現(xiàn)有記憶結(jié)構(gòu)中。在清醒期間，這與不間斷的新感覺(jué)體驗(yàn)同時(shí)發(fā)生。睡眠為大腦提供了一個(gè)機(jī)會(huì)之窗，在沒(méi)有不斷的外部信息的情況下，對(duì)新編碼的記憶進(jìn)行分類和強(qiáng)化。這一過(guò)程被稱為鞏固，導(dǎo)致產(chǎn)生持久的記憶痕跡或記憶圖，這些記憶痕跡或記憶圖在清醒時(shí)的激活支持信息的回憶。在睡眠期間，參與記憶處理的無(wú)數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被內(nèi)源性激活。它們的活動(dòng)產(chǎn)生使用非侵入性表面電極（EEG）或可記錄局部場(chǎng)電位（LFP）和動(dòng)作電位（尖峰活動(dòng)）的顱內(nèi)電極捕獲的電位。

近期，在Science雜志上發(fā)表了一篇名為“Brain neural patterns and the memory function of sleep”的文章，描述如何利用這些電波動(dòng)中有意義的模式來(lái)理解大腦。這些模式包括振蕩（如θ節(jié)律）、具有可識(shí)別波形的瞬態(tài)電位（如齒狀尖峰）和尖峰活動(dòng)模式（如上升和下降狀態(tài)）。結(jié)合信號(hào)分析和解剖學(xué)數(shù)據(jù)，以及有針對(duì)性的顱內(nèi)記錄或?qū)\層和深層結(jié)構(gòu)的操作，有助于理解這些模式的細(xì)胞基礎(chǔ)。最終，這些進(jìn)展可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)睡眠大腦模式在學(xué)習(xí)和記憶中所起作用的理解。

睡眠中最重要的模式之一是尖銳波波紋（SWR）復(fù)合體。海馬是一個(gè)三層結(jié)構(gòu)，其中信息通過(guò)CA3從齒狀回流向CA1區(qū)。在睡眠期間，CA3錐體神經(jīng)元自發(fā)地同步激活，觸發(fā)CA1錐體細(xì)胞的大規(guī)模激活。在放射層，錐體細(xì)胞樹(shù)突上的CA3輸入產(chǎn)生尖銳的波，而在CA1錐體細(xì)胞層，激活的錐體細(xì)胞和中間神經(jīng)元之間的相互作用產(chǎn)生了事件的快速（100至250 Hz）振蕩部分。兩步理論假設(shè)，首先，CA3和CA1細(xì)胞的一個(gè)亞群在一次經(jīng)歷中由θ振蕩協(xié)調(diào)，并形成編碼相應(yīng)新信息的細(xì)胞組合。然后，在隨后的睡眠期，這些CA3裝配會(huì)自發(fā)地點(diǎn)燃SWR事件，從而重新激活相關(guān)的CA1組合，促進(jìn)它們之間聯(lián)系的加強(qiáng)，最終導(dǎo)致記憶鞏固。與這一理論相一致，在探索開(kāi)闊視野的過(guò)程中共燃的成對(duì)CA1錐體細(xì)胞在隨后的睡眠SWR過(guò)程中保持這種相關(guān)性。在隨后的睡眠中醒來(lái)時(shí)觀察到的活動(dòng)相關(guān)性的持續(xù)性通常被稱為睡眠再激活。隨后的研究確定，在覺(jué)醒期間被激活的共發(fā)模式和位置細(xì)胞的整個(gè)序列在隨后睡眠期的SWR期間恢復(fù)。重要的是，在人類身上也顯示出了再激活。關(guān)于再激活在記憶鞏固中的作用的第一個(gè)因果研究開(kāi)發(fā)了閉環(huán)范式，以干擾睡眠漣漪，從而干擾相關(guān)的再激活。他們表現(xiàn)出嚴(yán)重的空間記憶障礙。探索新環(huán)境后，在睡眠SWR期間，CA1錐體神經(jīng)元的光遺傳學(xué)沉默會(huì)損害這些細(xì)胞在再次暴露于相同環(huán)境時(shí)的恢復(fù)，這表明回憶時(shí)的記憶障礙是由于缺乏維持記憶的空間圖或圖形的整合。睡眠期間，各種因素影響SWR相關(guān)的再激活。盡管CA3可能會(huì)使SWR重新激活的裝配偏向于鞏固空間記憶，但CA2對(duì)使SWR內(nèi)容偏向于社會(huì)記憶至關(guān)重要。開(kāi)發(fā)快速、在線檢測(cè)特定回放內(nèi)容的算法，而不僅僅是檢測(cè)LFP上的漣漪，是進(jìn)一步理解睡眠回放作用的必要步驟。沿著這條路線，Gridchyn等人訓(xùn)練大鼠在兩種環(huán)境中覓食，并干擾以下睡眠和休息SWR事件，但激活第一種環(huán)境的事件除外。此環(huán)境的性能優(yōu)于第二個(gè)環(huán)境，表明與第一個(gè)環(huán)境相關(guān)的空間內(nèi)存的整合不會(huì)受到干擾。總之，過(guò)去幾十年積累的結(jié)果強(qiáng)烈表明，在睡眠SWR期間，與新信息和學(xué)習(xí)相關(guān)的海馬神經(jīng)元群的重新激活對(duì)于記憶鞏固至關(guān)重要。然而，令人驚訝的是，海馬體的腹側(cè)部分是否也發(fā)生了海馬體的再激活仍不清楚，腹側(cè)部分具有不同的連通性，并且與壓力和焦慮有關(guān)。此外，在非快速眼動(dòng)（NREM）睡眠期間，海馬齒狀突反映了對(duì)齒狀回的強(qiáng)烈皮質(zhì)輸入，已被確定為NREM鞏固過(guò)程中的潛在參與者，但仍有待進(jìn)一步探索。雖然這篇綜述主要關(guān)注睡眠，但SWR也會(huì)發(fā)生在醒著不動(dòng)和非探索性行為（梳洗、進(jìn)食等）期間。清醒和睡眠漣漪之間沒(méi)有明顯的質(zhì)量差異，但它們的重放內(nèi)容不同。一個(gè)主要的挑戰(zhàn)是理解NREM睡眠背景（神經(jīng)調(diào)節(jié)、外部輸入減少、皮層和皮層下NREM特異性活動(dòng)等）是否以及如何使睡眠漣漪及其相關(guān)的神經(jīng)元內(nèi)容在功能上有所不同從清醒的人那里。此外，這些差異既可以被描述為簡(jiǎn)單的睡眠-覺(jué)醒二分法，也可以根據(jù)許多參數(shù)占據(jù)多維功能空間（鞏固、遺忘、計(jì)劃、記憶重組、決策等），包括神經(jīng)調(diào)節(jié)水平、注意力或警覺(jué)性、持續(xù)行為、睡眠債務(wù)、晝夜節(jié)律，鞏固需求、近期和長(zhǎng)期的既往經(jīng)驗(yàn)或NREM睡眠子階段。圖1：在NREM睡眠期間，海馬和皮質(zhì)模式相互協(xié)調(diào)，以維持記憶鞏固。

所有關(guān)于長(zhǎng)期記憶鞏固的主要理論都涉及海馬體和新皮質(zhì)之間的交流。在NREM睡眠期間，皮層回路經(jīng)歷明顯的高和低群體活動(dòng)周期交替，分別稱為上升和下降狀態(tài)。這種交替在LFPs中轉(zhuǎn)化為NREM睡眠標(biāo)準(zhǔn)慢振蕩。特別是，下降狀態(tài)與稱為三角波的獨(dú)特LFP偏轉(zhuǎn)有關(guān)。Delta波后面通常是紡錘波，紡錘波是從丘腦發(fā)出的10到15赫茲的振蕩。所有這些皮層節(jié)律都與記憶鞏固有關(guān)，它們是單獨(dú)的，但主要是通過(guò)與其他海馬和皮層模式的協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。人類的經(jīng)顱刺激可用于促進(jìn)NREM睡眠期間的緩慢振蕩，并且操作可提高第二天恢復(fù)時(shí)的表現(xiàn)。許多腦電圖相關(guān)研究都強(qiáng)調(diào)了慢波和紡錘波對(duì)記憶鞏固的重要性。在嚙齒類動(dòng)物中，一項(xiàng)腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了有趣的見(jiàn)解，在該實(shí)驗(yàn)中，動(dòng)物被訓(xùn)練通過(guò)自我調(diào)節(jié)一組預(yù)定義神經(jīng)元的放電來(lái)控制獎(jiǎng)賞傳遞裝置。在隨后的睡眠期，參與這項(xiàng)任務(wù)的神經(jīng)元在慢波的上升階段同步放電。此外，這種同步性的增加可以預(yù)測(cè)恢復(fù)時(shí)的性能改善，并且在慢波的上升階段，由于特定的光遺傳沉默而受損。大多數(shù)皮質(zhì)研究都集中在上升狀態(tài)，而忽略了靜默期。事實(shí)上，我們研究大腦的方式受到技術(shù)、統(tǒng)計(jì)和概念偏見(jiàn)的影響，我們傾向于觀察我們最容易記錄和解碼的東西：高群體活動(dòng)周期、高放電神經(jīng)元和顯著的振蕩模式。使用和繞過(guò)這些偏見(jiàn)的一種原始方法表明，在顯著的δ波（下降狀態(tài)）期間，前額葉皮層中非常稀疏的、通常被忽略的活動(dòng)實(shí)際上重新激活了先前學(xué)習(xí)期間形成的細(xì)胞組合。SWR和皮層NREM睡眠模式在時(shí)間上協(xié)調(diào)一致，據(jù)信可以促進(jìn)可塑性和長(zhǎng)期鞏固上下文記憶（或情節(jié)記憶）。海馬SWRs的發(fā)生率在向皮層上升和下降狀態(tài)以及紡錘波谷過(guò)渡時(shí)增加，在SWRs期間海馬和各個(gè)皮層區(qū)域之間發(fā)生協(xié)調(diào)的再激活。事實(shí)上，在SWRs后，通過(guò)使用閉環(huán)系統(tǒng)生成下行狀態(tài)-紡錘體復(fù)合體來(lái)增強(qiáng)海馬-皮層的協(xié)調(diào)，可以提高記憶任務(wù)的表現(xiàn)。與海馬紋波和緩慢的皮層振蕩相協(xié)調(diào)的光生生成人工紡錘波也能改善記憶，突出了紋波-δ-紡錘波三體協(xié)調(diào)對(duì)記憶鞏固的重要性。此外，海馬SWR的尖峰內(nèi)容可以預(yù)測(cè)隨后δ波中的皮層放電，這表明海馬SWR偏向于皮層中重新激活的信息。相反，皮層放電也可以預(yù)測(cè)CA1中的再激活內(nèi)容，而睡眠期間的感覺(jué)刺激可以使海馬再激活的內(nèi)容偏向并改善記憶，這種現(xiàn)象稱為定向記憶再激活。總的來(lái)說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)表明記憶鞏固涉及環(huán)路，在環(huán)路中，皮層區(qū)域可以偏向海馬SWR中重新激活的記憶痕跡，這反過(guò)來(lái)又會(huì)引起新皮質(zhì)中相關(guān)多模態(tài)表征的重新激活。圖2：閉環(huán)實(shí)驗(yàn)允許實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)正在進(jìn)行的大腦模式。

學(xué)習(xí)與Hebbian可塑性和突觸增強(qiáng)有關(guān)。根據(jù)突觸內(nèi)穩(wěn)態(tài)假說(shuō)（SHY），睡眠在體內(nèi)平衡調(diào)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用，它通過(guò)降低突觸重量來(lái)避免飽和，并允許在隨后的覺(jué)醒期形成新的記憶。更具體地說(shuō)，該模型預(yù)測(cè)，整體突觸重量在清醒時(shí)增加，在整個(gè)睡眠過(guò)程中減少。盡管這一過(guò)程有結(jié)構(gòu)和分子證據(jù)，但很難在體內(nèi)和實(shí)時(shí)評(píng)估突觸的結(jié)構(gòu)變化和強(qiáng)度。由于皮層慢波活動(dòng)源于通過(guò)上下?tīng)顟B(tài)的高度同步活動(dòng)，它們的振幅被認(rèn)為反映了皮層神經(jīng)元之間的突觸強(qiáng)度。因此，與SHY模型一致，在延長(zhǎng)清醒時(shí)間后，緩慢振蕩最強(qiáng)，并在延長(zhǎng)睡眠時(shí)間后逐漸減弱。此外，皮層誘發(fā)電位斜率（突觸效能的標(biāo)志）的變化與慢波活動(dòng)的變化相關(guān)，表明慢波可能有助于突觸尺度的縮小。同時(shí)，清醒和睡眠期間的放電率動(dòng)力學(xué)也被用作神經(jīng)元興奮性的替代指標(biāo)。與SHY模型一致，海馬細(xì)胞作為一個(gè)群體，在清醒時(shí)逐漸增加其放電頻率。在睡眠期間，有一個(gè)全球凈放電率下降，但不同階段之間的趨勢(shì)相反：盡管在NREM期間整體峰值活動(dòng)增加，但在REM期間表現(xiàn)出顯著下降。值得注意的是，REM期間的放電率下調(diào)可以通過(guò)NREM期間的紡錘波和SWR發(fā)生率來(lái)預(yù)測(cè)。最后，標(biāo)準(zhǔn)的NREM睡眠SWR被認(rèn)為最長(zhǎng)時(shí)間有利于通過(guò)長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)鞏固，也會(huì)觸發(fā)長(zhǎng)期抑郁，它們的抑制會(huì)阻止整個(gè)睡眠過(guò)程中誘發(fā)電位的正常下降，這表明其在體內(nèi)平衡中的潛在作用。圖3：體內(nèi)平衡和記憶鞏固可能在覺(jué)醒-睡眠周期中同時(shí)發(fā)生。

睡眠對(duì)包括記憶在內(nèi)的健康認(rèn)知至關(guān)重要。睡眠的兩個(gè)主要階段，快速眼動(dòng)（REM）和非快速眼動(dòng)睡眠，與使用表面和顱內(nèi)電極記錄的特征性電生理模式有關(guān)。這些模式包括非快速眼動(dòng)睡眠期間的尖波漣漪、皮層慢振蕩、δ波和紡錘波，以及快速眼動(dòng)睡眠期間的θ振蕩。它們反映了潛在神經(jīng)回路的精確定時(shí)活動(dòng)。睡眠和記憶之間的聯(lián)系實(shí)際上轉(zhuǎn)化為一個(gè)極其復(fù)雜的研究領(lǐng)域。首先，睡眠不是同質(zhì)的，它被細(xì)分為以不同的節(jié)奏和模式為特征的階段和亞階段。第二，有許多不同類型的記憶（情景記憶和語(yǔ)義記憶、程序記憶和技能記憶、巴甫洛夫條件反射等），它們依賴于不同但有時(shí)重疊的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，它們本身表現(xiàn)出不同的睡眠模式。此外，情節(jié)記憶并不是真實(shí)事件的完整和忠實(shí)的表現(xiàn)。因此，情景記憶的形成包括信息的初始編碼、修改、與其他記憶的合并，甚至遺忘。

教授介紹

Gabrielle Girardeau

2006年在拉瓦爾大學(xué)當(dāng)碩士實(shí)習(xí)生，2007年9月-2011年9月在拉瓦爾大學(xué)攻讀博士，2011年10月至2012年6月在拉瓦爾大學(xué)攻讀博士后學(xué)位；2012年至2017年在NYU Langone醫(yī)療中心-Buzsaki實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后研究員，2018年8月至今在法國(guó)巴黎Institut du Fer-a-Moulin擔(dān)任團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)。Gabrielle正在研究“離線”（即睡眠和休息）記憶處理過(guò)程中涉及的神經(jīng)機(jī)制，特別關(guān)注情緒記憶和焦慮。Gabrielle的研究目前集中在海馬體和杏仁核之間的相互作用，海馬體與杏仁核是處理情緒的網(wǎng)絡(luò)中的主要結(jié)構(gòu)之一，在情節(jié)記憶和空間記憶中起著至關(guān)重要的作用。Gabrielle想了解一種情緒是如何與特定的環(huán)境或事件聯(lián)系在一起的，以及這種聯(lián)系在睡眠中是如何加強(qiáng)或減弱的。

參考文獻(xiàn)：

Girardeau et al.,Brain neural patterns and the memory function of sleep[J].Science 374, 560–564 (2021)