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科学现场调查:睡眠削弱记忆?  

2013-11-07 17:30:04|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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导语:我们睡着的时候,大脑在做什么?经典睡眠理论认为,在睡眠时,大脑在强化白天新学习的记忆。但是新的理论认为,睡眠时的大脑在削弱白天的记忆。大脑这么做的好处多多,既能节约能量,又能为第二天的新记忆腾出空间。并且,通过削弱记忆,杂乱细碎的无用细节会被消除,重要的记忆就得到了巩固。

科学现场调查:睡眠削弱记忆?

*本栏目由《科学美国人》中文版《环球科学》杂志独家提供,欢迎在“订阅中心”的“专栏”分类订阅,与您一起“调查”最前沿的科学现场。*

我们为什么要睡觉?

每天晚上,我们睡下以后,看不到,听不着,不说话,身体和瘫痪了没什么分别,可是我们的大脑并没闲着。沉睡中,大脑神经细胞的活跃度几乎与清醒时无异,能量更是没少消耗。如果说睡觉是为了休息,大脑为什么还这么忙呢?既然睡觉时意识已经完全不受外界干扰,神经细胞又在忙些什么呢

其实,身体睡眠时,大脑在干的事情很重要。这种重要性首先体现在睡眠现象的普遍性上。睡觉时,机体无意识、无反应,这其实是件很危险的事,一不小心就会送命。但即使这样,所有动物都要睡觉,十几年前,研究者就已经证实,鸟要睡觉、蜜蜂要睡觉、鬣蜥和蟑螂都要睡觉,连果蝇都不例外。

更有甚者,为了适应睡眠,自然界还进化出了一些神奇的功能。例如,海豚和其他一些海洋哺乳动物会让两个大脑半球交替休息,在一个半球清醒时,另一个半球去睡觉,因为它们必须经常浮出水面换气。

科学现场调查:睡眠削弱记忆?
海豚和其他一些海洋哺乳动物会让两个大脑半球交替休息

经典睡眠理论:强化记忆

一个世纪以前,就已经有科学家提出,睡眠对于记忆功能很重要。此后无数的实验证实,睡一觉甚至只是打个盹之后,新形成的记忆都会比一直醒着更加牢靠。而且,这不仅仅对陈述性的记忆(比如背单词,或是记忆图片和位置的联系等)适用,对感觉和运动技巧等非陈述性的记忆(比如演奏乐器等)也适用。

基于这些发现,科学家开始寻找证据,试图证明大脑会在睡眠期间重新处理新习得的东西。他们确实也找了到一些证据:过去20多年,研究人员先是在啮齿类,继而在人身上都发现,睡眠期间大脑的活动方式有时确实和清醒时类似。

因此,很多研究者据此推测,清醒状态下,某些神经细胞间的突触(synapse,神经元之间的接触点)联系会被日常经验加强,睡眠期间的回放过程可以使这些联系进一步强化,从而得以巩固,形成记忆。也就是说,相互联系的神经细胞放电越多,突触之间传递信息就越容易,这能帮助神经回路编码大脑中的记忆。这种选择性的增强过程一般被称为突触增强(synaptic potentiation),这也是关于大脑学习、记忆机制的一种很流行的观点。

尽管这种回放和突触增强的现象在清醒状态下确实存在,可是在睡眠状态下,还没有直接证据证实,在回放时,突触联系得到了加强。不过,这倒是正好符合新理论的推测:当人们进入睡眠状态,对外界没有意识时,回放以及其他看似随机的大脑活动其实会弱化神经联系,而非加强。

科学现场调查:睡眠削弱记忆?
传统观点认为,睡眠强化了记忆

“削弱”记忆的好处

突触联系的增强与弱化并存,对于大脑的正常运转非常重要,这其实很好理解。其一,加强突触联系的能耗更高,而大脑储存的能量并不是无限的。大脑能耗占整个机体能耗的20是全身最耗能的器官(按单位重量耗能比),其中至少有三分之二是用于突触活动。构建和强化突触是最耗能的细胞活动,这一过程需要合成和安置从线粒体(细胞能量工厂)到突触小泡(synaptic vesicles,信号分子运输元件),以及传递突触信息所需的各种蛋白和脂质等大量细胞元件。

显然,这种高能耗体系是“不可持续”的。大脑不可能终生日夜不停地维持和加强突触联系。我们并不否认突触增强能强化记忆,我们只是怀疑,突触增强是不是晚上睡觉时也在继续。

我们认为,在睡眠期间弱化突触,能把大脑回路所需的能量值调到基础水平,避免大脑过度耗能、细胞高度负荷。睡眠的这种调零功能可以将突触维持在动态平衡的状态(或称为稳态),因此,我们整个关于睡眠功能的假设也可被称为“突触稳态假说”(synaptic homeostasis hypothesis, SHY)。其核心观点就是,对于所有需要睡眠的生命来说,维持突触稳态是睡眠最核心和最普适的功能,睡眠把大脑调到一个基础状态,清醒以后才能进行新一轮的学习和记忆。

而为了进行这种调适,我们必须冒一定风险,让整个机体在一段时间内处于对外界环境没有反应的状态。简而言之,大脑想获得根据外界经验调整神经回路的能力,即可塑性,就必须要睡觉。

正因为睡眠的价值巨大,所以宁可进入无防备状态也要睡觉
正因为睡眠的价值巨大,所以宁可进入无防备状态也要睡觉

但是,突触稳态假说如何解释睡眠对学习和记忆的益处呢?突触弱化以后,为什么整体记忆和经验还能保留下来呢?试想,大脑经过一整天的工作,所有经历的事情都会在脑内留下一定神经痕迹。一些重要的事情,比如认识了一个新朋友、用吉他学了一段新乐曲等,其实只是所有经过大脑的信息中的一小部分。要增强记忆,大脑必须学会区分不重要的“噪音”和重要的“信号”信息。

我们推测,睡觉的时候,神经元的自发放电会激活不同的神经回路组合,包括新形成的回路和已有记忆的神经回路。(所以做梦的时候,“新仇旧恨”都会出现。)这些自发的神经活动其实是大脑在进行匹配和选择,大脑中已经存储了一些被认为是有意义的记忆,新的记忆如果与它们更吻合,就将被储存下来;同时,大脑还会弱化大量与已有记忆背景不吻合的突触联系。我们和其他一些科学家正在研究,大脑是以怎样的具体机制削弱代表“噪音”的突触联系,同时保留那些对应着有意义的“信号”的联系。

当尝试进行匹配,弱化“噪音”突触联系时,大脑最好对外界没有响应,也就是说,最好处于睡眠之中。另外,恢复突触稳态的过程也不该在我们清醒的时候进行,因为在白天,大脑活动主要是在处理新发生的事件,而不是以前在生活中积累的所有知识。与外界完全隔绝的睡眠状态,才能把大脑从新信息的“轰炸”中解放出来,为记忆的整合与巩固创造理想环境。

我们前后历时近20年,进行了许多实验,所有这些实验都得出了一致结论——睡眠时的自发脑活动确实削弱了神经回路的突触联系——可能是通过降低神经回路传输电脉冲的能力,或者直接“擦除”了这些突触。

这一过程被我们称为下调选择(down selection),它可以通过“优胜劣汰”的方法,筛选出“最适”的神经回路。保留下来的神经回路有些是被反复重点强化的回路(比如为了熟练掌握一首新曲子,而反复练习的正确吉他指法),或者能同以前的旧记忆很好地整合(比如在已知语言体系里新添一个单词)。反之,那些仅仅在清醒时稍有增强的神经回路(比如弹错的指法,还有陌生语言的词汇)则会被忘记。

下调选择将确保微不足道的事件不会在神经回路里留下长久的痕迹,而值得注意的回忆将被保留。而且下调选择还有一个作用,它能为新一轮的突触增强留出空间。事实上,确有研究显示,睡眠对于学习和记忆的部分好处在于,睡一觉之后有助于新记忆的形成(在下次睡觉前接触的知识)。很多研究表明,相比坚持一整天不睡,晚上睡一觉以后,学习新东西会更容易。(这值得学生注意。)

特“困”生
特“困”生

用脑过度导致“局部睡眠”

尽管下调选择的具体机制和选择的过程不详,目前在几个物种上的实验所得的结论还是很明显的:清醒时,突触联系的强度整体上更高,睡眠期间则会下降。这也是突触稳态假说的核心观点。我们可以试着验证其中一些有趣的推论,进一步证实这一假说。

如果这个假说成立,那么白天清醒时神经回路改变越多,晚上需要的睡眠必然也越多。反过来说,睡眠需求(sleep need)可以用非快速眼动睡眠的慢波振幅和持续时间来衡量。为了探讨这种可能性,我们要求受试者学习一种新技能,用鼠标定位电脑屏幕上的目标物,难度在于屏幕上的光标和实际鼠标的移动方向完全相反。这种学习需要动用大脑的右侧顶叶皮层(right parietal cortex)。结果显示,练习当晚,受试者睡着后,该皮层的慢波振幅明显比没有进行过练习的前一晚更大,说明该区域白天确实“辛苦了”。而且,经过一晚休息,慢波振幅又逐渐恢复到以前的水平。但在刚入睡时,受试者大脑局部那些大幅度慢波告诉了我们,大脑的特定部分在白天的练习中已经精疲力尽了。

后来,我们和其他一些研究者的很多实验都进一步证实,学习以及更普遍的突触活动,会增加局部脑区的睡眠需求。最近,我们甚至发现,如果长期或过度使用某个神经回路,那么这个回路中的神经元甚至会在其他脑区(甚至是机体本身)还清醒的时候,就径自“睡去”。也就是说,如果大鼠醒着的时间比平时长,这时有些神经元会出现短暂的间歇状态,就跟在非快速眼动睡眠期间的慢波状态一样。可是表面上看,大鼠还是醒着的,眼睛睁着,该干嘛还干嘛。

这种现象被称为局部睡眠(local sleep),它引起了不少研究者的兴趣。我们最新的研究显示,睡眠不足的人,脑中也存在局部间歇状态,此时继续学习新东西,间歇就会越来越频繁。也许,我们醒的时间太长,或是用脑过度的时候,大脑的某个区域就会自己悄悄打个盹。有时候我们自以为清醒,完全掌控一切,可是却误下判断、犯低级错误、反应急躁、情绪失控,也不知道这中间有多少是因为某个悄悄打盹的脑区。

脾气暴躁?有可能你的脑区已经“睡觉”了
脾气暴躁?有可能你的一些脑区已经“睡觉”了

(本文作者:朱利奥·托诺尼(Giulio Tononi) 基娅拉·西雷利(Chiara Cirelli)译者:冯泽君,编者有删改)

科学现场调查:睡眠削弱记忆?

*本文改编自《环球科学》2013年第11期,杂志可在各大报亭购阅,读者也可免费下载环球科学iPad客户端内购阅读全文。*

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来源:科学现场调查:睡眠削弱记忆? 2013-11-03 | 科学美国人


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