睡眠中的短暂θ波,再次调动空间经验
小鼠学会在迷宫中寻找食物后,睡眠中的短暂θ波伴随学习相关细胞群再激活。压低丘脑至内嗅皮层输入,削弱了这类活动和随后的空间任务表现。
白天找到一条路,睡着后大脑还会做什么?记忆并非在入睡时便停止变化。研究者发现,与刚刚经历有关的细胞群会在睡眠中再次活跃,但是什么信号把它们重新调动起来?2024年发表于 Nature Communications 的小鼠研究,将目光投向内侧内嗅皮层(MEC)与丘脑联合核(RE)之间的连接。在非快速眼动睡眠中,一段只有约三百毫秒的θ波,出现在缓慢脑电活动的特定阶段,并与学习相关细胞群的再激活相伴。
闭环抑制RE→MEC输入,降低了非快速眼动睡眠中的短暂θ活动和细胞群再激活,小鼠随后寻找食物的路径更长。清醒期再激活及受测睡眠结构未见显著变化。
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迷宫里的经验,睡眠中再次浮现
小鼠在六臂迷宫中寻找固定位置的食物,随着训练,通往目标的路线变得更直接。与此同时,MEC中的细胞群在不同位置呈现不同的协同放电模式:有些与起点有关,有些在转弯处或目标附近活跃。空间经验留下的,是一组组细胞之间的活动关系。
研究用训练期间的群体活动模式,衡量训练后这些模式再次出现的程度。在随后记录到的非快速眼动睡眠中,再激活强度高于清醒期。这里的再激活指群体放电模式的相似性,让研究者能够追踪经验留下的痕迹如何在睡眠中重新出现。
来源:Xiao Q et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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慢波之间,插入一小段θ活动
非快速眼动睡眠通常以缓慢的δ活动为特征,θ节律则常让人联想到清醒探索。研究却在MEC中看到另一种θ活动:它不是长时间持续振荡,而是短暂、孤立地出现,嵌在δ波对应的较活跃阶段。
学习相关细胞群的再激活峰值,恰好与这些短暂θ波相伴。睡眠中的整体慢节奏并没有消失,一次次短促的节律变化却可能把特定活动重新聚拢。研究接下来追问:是谁为MEC送来这段短暂信号?
联合核连接浅层内嗅皮层
追踪显示,MEC接收来自多个脑区的输入,其中RE轴突在MEC浅层分布密集。两处的θ活动在非快速眼动睡眠中具有较强同步性,时间序列分析也提示RE活动可以预测后续MEC变化。这条连接因此成为研究重点。
脑片记录进一步显示,RE输入可使MEC兴奋性细胞和中间神经元出现短潜伏期的兴奋性响应。受体阻断后,这些响应消失,支持谷氨酸参与传递。RE与MEC之间不只有同起同落的节律,也存在能够直接影响接收细胞的兴奋性连接。
来源:Xiao Q et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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同一输入,接收细胞的反应可以不同
RE输入并不让所有MEC细胞以相同方式放电。兴奋性细胞对较低频率刺激的响应较明显,中间神经元在原有膜电位下较难被调动;把后者的膜电位提高,响应便增强。输入到来时,细胞已经处于什么状态,会改变信号的效果。
乙酰胆碱也能使这些中间神经元去极化。研究据此提出,睡眠和清醒中的细胞状态差别,可能参与塑造不同节律。这个解释来自脑片中的响应特性,为理解短暂θ活动为何出现在睡眠中增添了细胞层面的线索。
来源:Xiao Q et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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整体活动降低,短暂峰值仍有意义
进入非快速眼动睡眠后,投向MEC的RE细胞群整体钙信号下降,但仍出现离散的活动峰。这些峰值附近,MEC的θ活动占比升高。较低的平均活动并不等于这条输入沉默,短促事件保留了与局部节律变化的联系。
来源:Xiao Q et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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压低这路输入,小鼠寻找目标更费周折
研究在训练后抑制RE至MEC的输入。随后小鼠寻找食物时,行走路径较长,进入错误臂的表现也更差。把干预放在学习之后,将这条连接与经验形成后的处理联系起来。
更精细的闭环实验只在非快速眼动睡眠中检测到短暂θ活动时抑制这路输入。θ活动及其与δ波的耦合减弱,睡眠中的群体再激活降低,后续迷宫表现也变差;清醒期再激活未见显著差异。
来源:Xiao Q et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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记忆处理,也藏在短促的节律事件里
闭环干预未显著改变受测睡眠、清醒结构和脑电功率谱。任务表现的改变,因而伴随着睡眠内部特定节律与再激活的减弱,而不是明显的整体睡眠丢失。短暂θ事件把输入、细胞群活动与空间任务表现串联起来。
这些主要在雄性小鼠中获得的结果,让睡眠中的记忆处理多了一个具体画面:缓慢活动中偶尔插入的短暂节律,可以参与重新调动近期经验。它与海马尖波涟漪、睡眠纺锤等事件如何配合,仍是理解整套记忆巩固过程的下一层问题。
来源:Xiao Q et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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