我们都知道，一夜好眠有助于恢复精力。然而，康奈尔大学的科学家在大鼠和小鼠身上进行的一项新研究发现，睡眠还会重置另一项重要功能——记忆。他们的研究表明，在深度睡眠的特定时间，海马体的特定部分会变得沉寂，让这些神经元得以重置。
学习或体验新事物会激活海马体中的神经元，而海马体是大脑中对记忆至关重要的区域。随后，在睡眠期间，这些相同的神经元会重复相同的活动模式，这就是大脑如何巩固这些记忆并将其存储在一个称为皮层的较大区域中的过程。但是，我们如何能终生学习新事物而不耗尽所有神经元呢？
康奈尔大学的研究团队在小鼠和大鼠进行学习任务和睡眠期间，研究了海马体各个区域的神经活动。他们发现了一种在我们睡眠时发生的大脑活动——一种称为BARR（长时间动作电位发射）的现象，在记忆巩固过程中重新平衡海马体神经网络中起着至关重要的作用。这些发现为我们提供了关于大脑在睡眠中如何保持记忆稳定的新见解。
“这种机制可以让大脑在第二天重新利用相同的资源，相同的神经元，进行新的学习，”神经生物学助理教授Azahara Oliva博士说。研究人员认为，他们现在有工具可以通过调整记忆巩固的机制来增强记忆，这可以应用于记忆功能衰退时，如阿尔茨海默病。他们还找到证据探索消除负面或创伤记忆的方法，这可能有助于治疗如创伤后应激障碍（PTSD）等情况。
首席作者Lindsay Karsba博士和通讯作者Oliva博士在《科学》杂志上发表了他们的研究成果，题为“在睡眠中平衡记忆再激活的海马体回路机制”。
记忆巩固——这一过程通过稳定和加强我们最近的经历，使其成为长期记忆——发生在我们睡眠时。在非快速眼动（NREM）睡眠阶段，海马体神经元显示出短暂的发射活动，称为尖波涟漪（SWRs）。这些模式被认为对记忆巩固至关重要。“海马体神经元群代表行为相关经验的方面，在SWRs期间一起被再激活，”研究团队写道。“在学习后，干扰或增强睡眠中的SWRs会导致记忆受损或改善。”
然而，海马体在这种选择性增加的发射率之后，如何重新平衡其活动的机制尚不清楚。“我们假设海马体利用不同的回路机制来平衡记忆巩固期间发射率的增加，”研究团队继续写道。海马体分为三个区域：CA1、CA2和CA3。CA1和CA3与时间和空间相关的记忆编码有关，研究较多；对CA2的了解较少，但新的研究发现CA2在睡眠中产生这种沉默和重置海马体的作用。
研究人员在小鼠的海马体中植入电极，记录学习和睡眠期间的神经活动。这样，团队可以观察到在睡眠期间，CA1和CA3区域的神经元再现了白天学习期间形成的相同神经模式。但研究人员想知道大脑每天如何继续学习而不会超载或耗尽神经元。
“我们意识到在睡眠期间还有其他海马体状态，其中一切都沉默了，”Oliva说道。“曾经非常活跃的CA1和CA3区域突然安静下来。这是一种记忆的重置，而这种状态是由中间区域CA2产生的。”
被称为锥体神经元的细胞被认为是对功能性目的（如学习）有重要作用的活跃神经元。另一种类型的细胞，称为中间神经元，有不同的亚型。研究人员发现大脑有平行回路，由这两种类型的中间神经元调节——一种调节记忆，另一种允许记忆的重置。
CA2细胞的一个子集在NREM睡眠期间发射长时间的动作电位（BARRs）。“除了SWRs，我们还观察到一种不同类型的网络事件，其中CA2锥体细胞的一个子集发射长时间的动作电位（BARRs），同时CA1和CA2中间神经元的一个子集发射频率增加，”研究团队写道。CA1神经元在学习期间增加了其活动，被抑制了。“BARRs选择性地抑制了任务相关的CA1锥体细胞，依赖于其活动性，”研究人员解释道。“在学习期间和随后在睡眠后SWRs期间重新激活的细胞，越多，在BARRs期间它们被抑制得越多。”
在学习后，使用光遗传学操纵干扰BARRs会导致记忆表现受损。这表明神经元再激活的平衡水平对记忆巩固至关重要，过多或过少的再激活都可能导致记忆问题。BARRs似乎有助于保持这种平衡，防止可能变成病态的过度神经活动。“我们的结果在几种记忆任务和不同物种中得到重复，表明BARRs是一种普遍的海马体机制，有助于记忆巩固，”作者进一步指出。
这些结果帮助解释了为什么所有动物都需要睡眠，不仅是为了固定记忆，也是为了重置大脑，使其在清醒时正常工作。“我们显示记忆是一个动态过程，”Oliva说道。
在相关的视角文章中，加州大学伯克利分校的Xiang Mou博士和Daoyun Ji博士写道：“BARRs的发现揭示了海马体记忆再激活在睡眠中是如何被精细控制的，并为记忆再激活理论和突触下调理论提供了可能的调和……未来的研究可能会揭示更多关于睡眠依赖记忆巩固的机制，以及它们在脑部疾病中如何受损的见解。”
参考文献：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado5708
编辑：王洪
排版：李丽
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