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睡眠中的短暂θ波,再次调动空间经验

Nature communications · 2024-10-25

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Nature communications · 研究前沿

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。

AI概念插画:熟睡的小鼠与象征短暂再激活的神经网络,不是实验图像或解剖图

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。

关键发现

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。

原论文图 1空间学习与细胞群再激活
空间学习与细胞群再激活
原论文Figure 1:迷宫行为、MEC群体活动及训练后再激活分析;非快速眼动睡眠中的再激活强于清醒期。
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。

原论文图 2RE与MEC的睡眠节律同步
RE与MEC的睡眠节律同步
原论文Figure 2:RE与MEC的同步记录及频段相干分析;非快速眼动睡眠中,两区θ活动具有较强同步性。
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。

原论文图 3接收细胞状态与输入响应
接收细胞状态与输入响应
原论文Figure 3:兴奋性细胞与中间神经元对RE输入的响应不同;中间神经元去极化后响应增强。
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。

原论文图 4RE投射群活动与MEC节律
RE投射群活动与MEC节律
原论文Figure 4:非快速眼动睡眠中,MEC投射RE细胞群的钙峰与MEC θ活动占比升高相伴。
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。

原论文图 5训练后输入抑制与空间表现
训练后输入抑制与空间表现
原论文Figure 5:训练后抑制RE→MEC输入,小鼠随后寻找食物的路径较长,并出现更多错误臂进入。
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。

原论文图 6闭环抑制、再激活与行为
闭环抑制、再激活与行为
原论文Figure 6:闭环抑制降低θ–δ耦合和睡眠再激活,后续迷宫路径较长;清醒期再激活未显著改变。
来源:Xiao Q et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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论文信息

Xiao Q, Lu M, Zhang X, Guan J, Li X, Wen R, Wang N, Qian L, Liao Y, Zhang Z, Liao X, Jiang C, Yue F, Ren S, Xia J, Hu J, Luo F, Hu Z, He C.
Isolated theta waves originating from the midline thalamus trigger memory reactivation during NREM sleep in mice
Nature communications · 2024-10-25
DOI: 10.1038/s41467-024-53522-9