撰文 | 十一月
眾所周知，睡眠對於記憶的鞏固以及經歷的遺忘都是非常重要的【1】。但是睡眠過程是如何調節和平衡記憶鞏固與遺忘之間的關係仍然是一個懸而未決的問題。
近日，舊金山退伍軍人醫療中心、加州大學的Karunesh Ganguly研究組在Cell發表了題為Competing Roles of Slow Oscillations and Delta Waves in Memory Consolidation versus Forgetting的長文，揭開了在睡眠過程中慢波振盪（Slow Oscillations，SO）與δ波在記憶鞏固與遺忘之間的分離與競爭關係。
先前的研究表明，在非快速眼動睡眠期間，慢波振盪、紡錘波以及它們之間精確的時間相互作用在記憶鞏固中整合中起作用【2】。而且在非快速眼動睡眠中，慢波振盪與δ波均是廣泛存在的。經典研究最初將慢波振盪與和δ波區分為兩種不同的神經生理現象，它們均是由具有不同時空特性的低頻波組成【3】。而且在不同的物種中，在非快速眼動睡眠中均存在這兩種波，一類慢波存在更廣泛具有更大的振幅，但另一類慢波具有更小的振幅，而且只在局部存在。在本工作中，作者們將非快速眼動睡眠中的慢波區分成慢波振盪（較大振幅、廣泛存在）以及δ波（較小振幅、局部存在）。
圖1 區分慢波振盪（SO）與δ波
首先，作者們根據波形對慢波振盪以及δ波進行分類。在光刺激的情況下有60％的神經元產生響應。作者們設計了一個閉環的實時系統，可以根據激發視蛋白響應來鑑定睡眠中的慢波反應【4】。在對大鼠進行學習記憶任務測試中已經發現睡眠依賴的記憶激活與自然學習過程是相關的【5】。慢波振盪對於大鼠技能學習的睡眠依賴的記憶鞏固非常關鍵。
那麼在記憶鞏固過程中δ波的作用是什麼呢？作者們通過對δ波進行擾動發現這種擾動可以增強睡眠依賴性記憶鞏固的作用。作者們想要進一步探究這其中的神經生理學基礎。因此作者們進一步分析了慢波振盪和δ波觸發的光抑制對睡眠紡錘體波與慢波振盪、δ波在時間上耦合的影響。結果在對照的情況下，δ波與紡錘體波“嵌套”（Nesting）比慢波振盪與紡錘體波嵌套要高出1.3倍。慢波振盪“嵌套”指數的變化能夠解釋大鼠在記憶任務中的表現變化。在慢波振盪收到擾動的時候，δ波受到擾動對於記憶任務的訓練表現沒有什麼影響，因此，作者認為δ波嵌套的絕對值可能對於預測大鼠的記憶任務的表現沒有什麼作用，但是其與慢波振盪的相對值對於記憶行為會比較重要。作者們發現SO/δ嵌套指數較低時，慢波振盪與紡錘體波之間的時間耦合比δ波與紡錘體波之間的時間耦合程度要更低；反之亦然。以SO/δ嵌套指數來預測大鼠的記憶表現要比單獨使用慢波振盪嵌套指數更為準確。
有趣的是，在記憶任務訓練後睡眠過程的對照實驗期間，發現重新激活記憶的強度會隨著時間的推移而減弱。而在δ波干擾的情況下，記憶激活的強度會明顯高於對照組。總的來說，記憶激活的強度在訓練後睡眠過程中的變化，也能夠用於預測大鼠在記憶任務中的表現。
其次，作者們進一步解開了慢波振盪與紡錘體波的嵌套以及δ波與紡錘體波的嵌套對於記憶激活的時間長度的作用。慢波振盪與紡錘體波的嵌套會保存記憶激活的強度而δ波與紡錘體波的嵌套會減弱記憶激活的強度。
總的來說，Ganguly研究組發現在記憶鞏固與遺忘過程中，非快速眼動睡眠過程中慢波振盪與δ波的神經激活不同。SOs和紡錘波的精確嵌套對記憶鞏固特別重要，這可能是通過它驅動和維持對於清醒時間記憶重新激活的能力而實現的。δ波調節的記憶激活在睡眠過程中總是會被延遲，關閉此事件後記憶激活的能力顯著提高，而且在記憶任務中的表現也會更好。在依賴睡眠的記憶處理過程中慢波振盪和δ波相互競爭、促進記憶鞏固，在記憶鞏固和記憶弱化中分別具有分離和競爭的作用。
圖3 慢波振盪與δ波調節記憶鞏固與遺忘過程
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.08.040
參考文獻
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2. Bergmann, T. O. & Born, J. Phase-Amplitude Coupling: A General Mechanism for Memory Processing and Synaptic Plasticity? Neuron 97, 10-13, doi:10.1016/j.neuron.2017.12.023 (2018).
3. Steriade, M., McCormick, D. A. & Sejnowski, T. J. Thalamocortical oscillations in the sleeping and aroused brain. Science 262, 679-685, doi:10.1126/science.8235588 (1993).
4. Gulati, T., Guo, L., Ramanathan, D. S., Bodepudi, A. & Ganguly, K. Neural reactivations during sleep determine network credit assignment. Nature neuroscience 20, 1277-1284, doi:10.1038/nn.4601 (2017).
5. Ramanathan, D. S., Gulati, T. & Ganguly, K. Sleep-Dependent Reactivation of Ensembles in Motor Cortex Promotes Skill Consolidation. PLoS biology 13, e1002263, doi:10.1371/journal.pbio.1002263 (2015).
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