當你沉睡時,記憶和遺忘開始對決

大腦也會斷舍離?

大腦收集到的信息遠超過它所能保留的。我們整天都在接收新的信息，但僅有一部分能被保留到隔夜或者更久。睡眠似乎對這一學習和遺忘之間的平衡至關重要，它通過大腦電信號的不同模式來加固一部分的記憶，同時消除另一部分的記憶，但在此過程中起作用的機制我們一直不清楚。

在2019年10月初報告的一份研究中，研究人員將兩種腦電波的對立作用分離開，從而解開了這一謎團：其中一種增強記憶，而另一種削弱記憶。

大腦如何對記憶進行處理，從而保留其中一部分而丟掉另一部分？不同理論對這一問題的解釋之間存在矛盾。研究者簡單地將這些腦電波相互區分開來後，開始形成了一種可以調和矛盾的解釋。這份研究的第一作者，加州大學舊金山分校的神經學副教授卡努納什·甘古利（Karunesh Ganguly）說，我們尚未充分理解，睡眠如何能在記住和遺忘中都起到重要作用。

關於記憶鞏固的理論大致分為兩種陣營，並且各自都有一些證據的支持。一種理論將長期的學習歸結於在睡眠時被重現的腦活動模式。這些神經發放的組合（ensembles）模擬了在原始學習過程中的信號，這樣的重現加強了神經元之間的突觸連接，從而使記憶根深蒂固。如果沒有復現，理論上其他的突觸連接沒有被增強，那麼那些記憶應當會消亡。

-James Steinberg-

另外一個與之相對的理論是「突觸削減」（synaptic downscaling）。很多研究者都相信，在這個過程中大腦更活躍地清除掉無用的記憶。因為學習過程涉及到要增強大腦連接的神經活動，需要耗能，而在睡眠中，向大腦連接的供能更少，使得那些不太具有長期重要作用的連接被削弱。去除掉這些來自於無用記憶的背景噪音使得大腦的信號更加清晰，並使大腦保持高效。

在記憶的保持中，與睡眠相關的不同的腦電波模式的作用是什麼？這項新的研究著眼於這個問題，在這些理論中建立起了橋梁。

睡眠的時候大腦都發生了什麼

長達數十年來，對於增強和丟失記憶的研究都主要集中在兩種腦電波模式上：慢震蕩（slow oscillations）和「睡眠紡錘波」（sleep spindles）。慢震蕩，以高峰值和低頻率為特徵，掃過大部分的腦區。睡眠紡錘波是在非快速眼動睡眠期（沒有快速的眼動並且一般很少做夢的睡眠階段）每隔幾秒鐘出現的高頻活動的爆發（bursts）。當與睡眠紡錘波相結合時，慢震蕩變得對於記憶的鞏固至關重要。相比之下，δ波比慢震蕩略小，並且傾向於在大腦局部出現。因為慢震蕩和δ波一般在睡眠中同時出現並且很難區分，通常它們一起被歸為慢波。

然而識別出慢震蕩和δ波之間的差異正是這篇最新發表的研究發現的關鍵之處。

金在京（Jaekyung Kim）和塔努吉·古拉第（Tanuj Gulati）一起工作，前者是來自加州大學舊金山分校的博士後研究員，同時也是這項研究的主要作者，後者是來自洛杉磯西達斯-西奈醫學中心（Cedars-Sinai Medical Center）的生物醫學科學和神經學的副教授。利用獎勵機制，他們訓練大鼠學習一項新的技能。這項技能涉及到在運動皮層的一種特定的神經活動。在晚上，當大鼠進入睡眠時，研究者抑制動物大腦中選定的某種腦電波模式。第二天，他們會測試大鼠對於新技能的記憶。通過檢測這些記憶是得到了提升還是變得更差，研究人員可以進一步探究不同種類的腦電波的功能。

20多年前的一項在貓上的研究首次觀察到了兩種波之間的差異特徵，金利用這些特徵，用準確的判別標準在他所記錄的大鼠的腦中將慢震蕩從δ波中分離出來。已知在記憶的鞏固中，慢震蕩有著重要的作用。因此，當研究者去除了慢震蕩後，大鼠的學習應該會發生退化。結果不出所料。

慢震蕩和δ波的區別

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Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

但讓研究者感到驚訝的是，當他們擾亂δ波時，他們觀察到了相反的效果：大鼠的記憶提升了。

「我沒有想到抑制慢震蕩會有不同於抑制δ波的效果。」綜合生物學和生理學家吉娜·波（Gina Poe）說。她沒有預料到腦電波之間的差異會具有如此的重要性，但是她說這項研究的結果和許多其他的研究發現相吻合。「這就像是缺失的那塊拼圖。」她補充道。

這些相競爭的功能暗示了此前兩種關於記憶鞏固的重要理論的內在機制。紡錘波與慢震蕩相互嵌合。在以前，甘古利的團隊曾將這一現象與神經活動組合的重現以及記憶的增強聯繫起來。與此同時，δ波似乎會削弱大腦的連接而使得記憶退化，這一過程可能是通過某種形式的突觸削減來實現的。

甘古利說，δ波的這一特點還沒有被廣泛地研究。通過把δ波的功能考慮在內，這項研究揭示這兩種波之間的平衡。這樣的平衡同時也是學習和遺忘之間的平衡。「這是一個推拉系統（push-pull system），」他說，「在大腦中存在一種動態過程，它能夠依據其他信息來控制記憶的開關。」

事實上，慢震蕩和δ波互相競爭著與紡錘波進行時間對齊。紡錘波和慢震蕩在多大比率同步，這與大鼠能多好地記住它們的新技能成相關關係；而如果將慢震蕩和δ波二者與紡錘波的同步率都考慮進來，我們對於大鼠學習行為的預測則會好更多。並非只有慢震蕩可以影響學習；看上去δ波也有很大的影響力。「這二者可能不止是對於記住不忘，還對於在正確的時間記得正確的事情至關重要。」加州大學歐文分校的精神病學和人類行為副教授布萊斯·曼德（Bryce Mander）說。

但這種平衡很微妙，可能會被任何事情擾亂，從大腦損傷到睡眠剝奪。由於大腦損傷以後通常跟隨著腦電波的變化，δ波和慢震蕩的比例變化可能是延續性的記憶衰退的原因之一，甘古利說道。這些腦電波之間的關係可能在一種更加普遍的現象中起著作用——伴隨著衰老的認知衰退。

在美國加州大學舊金山分校，神經科學家卡努納什·甘古利在他的實驗室裡與一個同事交談。屏幕上顯示的是他們所研究的慢震蕩和δ波的波形。（譯者註：右為甘古利）

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Steve Babuljak for UCSF, 2016

甘古利和他的團隊在研究中觀察到，睡眠紡錘波與不同的波有不同的交互。紡錘波傾向於與慢震蕩的一個相位耦合，但是會鎖定在δ波的另一個不同的相位上。紡錘波在衰老的大腦中也表現出了這一結合相位的偏移現象，因為它們嵌合到慢波的不同的點上。如果δ波在衰老的大腦中更普遍存在的話，這可能就有助於解釋衰老這種變化，曼德說道。

δ波還一直被更直接地和痴呆聯繫在一起。發展出澱粉樣斑塊是阿爾茲海默症的一個標誌，在表現出該症狀的大腦中，δ波激增。在晚期阿爾茲海默症者身上，不僅是他們處於睡眠狀態下，而且在清醒狀態下也能發現δ波。「你會發現δ波隨處可見。」曼德說道。它們的出現暗示了記憶障礙是如何在大腦中體現的。

腦電波在競爭什麼？

關於相互競爭的腦電波的這些研究，是否能被擴展到像衰老這樣的其他領域呢？這取決於這樣的機制是否會在其他模式的學習中出現。波舉了一個例子。比如說，學習運動技巧所需要腦區域，可能就不會參與到其它種類的學習中。所以，目前我們尚不清楚，這樣的關於相互競爭的腦電，是否存在於所有種類的記憶中。

δ波可能具有不同於慢震蕩的功能這一發現，也啟發了對睡眠和記憶研究中的幾個問題的可能解法。例如，儘管一些藥物改善了睡眠，但仍不能提升學習和記憶；未來對於在這些藥物影響下的慢波平衡進行研究，也許可以闡明其原因。關於慢震蕩和δ波分別起到什麼作用，通過跟蹤記錄睡眠中的慢波數據，也許還能得到更多新的深刻見解。另外，增強記憶的可能方法，相比於致力於促進產生更多的慢震蕩，擾亂δ波也許會被最終證明是可行的。怎樣的幹預手段可以提高學習，對具有超凡記憶力的人的大腦活動進行研究，同樣也可能給這類問題提供構想。「這篇論文開啟了一片全新的研究領域。」曼德說道。

在金的工作後面仍懸而未決的一個問題是：為什麼我們人和其他動物需要像我們現在這樣多的睡眠。證據表明，慢波和睡眠紡錘波的耦合在幾小時的睡眠中僅僅佔據幾秒鐘；其中只需要少數幾次的耦合事件就可以帶來對於記憶的持續性的長期改變。「那樣對於我們的環路完成自我重塑已經足夠了。」波說道。

譯者：OrangeSoda|審校：曹安潔

封面：Daniel Liévano |排版：語月

原文：https://www.quantamagazine.org/dueling-brain-waves-anchor-or-erase-learning-during-sleep-20191024/

本文基於CC-BY協議翻譯