科學(xué)家揭示熬夜復(fù)習(xí)老記不住的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制詳解

人的一生有接近1/3的時間在睡眠中度過，睡眠作為生命所須的必要過程，是機(jī)體記憶整合的重要環(huán)節(jié)。學(xué)習(xí)后立即睡覺有利于記得更牢，而睡眠不足則損害人們的記憶能力。然而，睡眠不足影響記憶的機(jī)制目前不清楚。海馬體是大腦的記憶中心，其中海馬體尖波漣漪（sharp-wave ripple，SWR）期間發(fā)生的記憶事件的激活和回放是記憶鞏固的關(guān)鍵。

SWR尖波是由海馬CA1區(qū)錐體細(xì)胞尖波放電產(chǎn)生，漣漪是尖波附近神經(jīng)元高度同步活動引起的快速且短暫的神經(jīng)振蕩活動。這種同步活動驅(qū)動與個體記憶相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的突觸可塑性，增強(qiáng)記憶的存儲和回放。在記憶完成之后的睡眠中，SWR頻繁的出現(xiàn)，在SWR期間擾亂神經(jīng)的震蕩活動會損害記憶，而增強(qiáng)SWR則會促進(jìn)學(xué)習(xí)記憶。

2024年6月12日，密歇根大學(xué)安娜堡分校Kamran Diba 教授團(tuán)隊在Nature發(fā)表題為“Sleep loss diminishes hippocampal reactivation and replay”的研究論文，發(fā)現(xiàn)睡眠不足通過破壞海馬尖波漣漪，阻礙神經(jīng)元放電模式的重激活和回放，損傷學(xué)習(xí)記憶能力。

 

1、睡眠剝奪破壞正常的海馬尖波漣漪

在大鼠海馬體 CA1 區(qū)域植入128通道高密度硅探針，對大鼠在迷宮探索過程、睡眠過程與睡眠剝奪過程的局部場電位和電活動穩(wěn)定單元進(jìn)行記錄，發(fā)現(xiàn)與正常睡眠相比，在睡眠剝奪期間（ZT2.5-5），海馬體SWR的發(fā)生頻率增加。功率譜計算顯示，睡眠剝奪降低局部場電位功率，具體表現(xiàn)為高功率的theta波減少，而低功率的delta波增加。提示睡眠剝奪改變正常海馬尖波漣漪的生理特性。

 

 

 

圖1、睡眠剝奪增加SWR的發(fā)生頻率，降低SWR的功率

 

2、睡眠剝奪增加海馬神經(jīng)元的放電活動

睡眠狀態(tài)可以顯著影響神經(jīng)元的放電頻率，對迷宮探索、睡眠和睡眠剝奪期間的大鼠海馬腦區(qū)放電情況進(jìn)行記錄，發(fā)現(xiàn)迷宮探索期間海馬錐體神經(jīng)元和中間神經(jīng)元的放電頻率顯著增加，在隨后的自然睡眠期間，錐體神經(jīng)元和中間神經(jīng)元的放電頻率顯著降低。但睡眠剝奪使錐體神經(jīng)元和中間神經(jīng)元放電一直處于高水平狀態(tài)。

圖2、睡眠剝奪增加海馬錐體神經(jīng)元和中間神經(jīng)元的放電活動

 

 

3、睡眠剝奪降低神經(jīng)元放電模式的重激活和回放

海馬神經(jīng)元的重激活與記憶功能密切相關(guān)，迷宮探索后對神經(jīng)元重激活進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷事件后海馬重激活可持續(xù)數(shù)小時，并將激活的海馬信號傳遞到皮質(zhì)區(qū)域。而睡眠剝奪大鼠在經(jīng)歷迷宮探索后，海馬重激活的能力顯著降低。睡眠剝奪大鼠恢復(fù)睡眠后，海馬神經(jīng)元重激活能力有所恢復(fù)，但是仍無法恢復(fù)到對照水平。隨后對迷宮探索期間海馬位置細(xì)胞序列的時間回放進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)睡眠剝奪降低迷宮探索后海馬位置細(xì)胞放電模式的回放，即使恢復(fù)睡眠，這種損傷依舊存在。

 

圖3、睡眠剝奪降低神經(jīng)元放電模式的重激活

 

 

總結(jié)：本文發(fā)現(xiàn)睡眠不足通過損傷海馬尖波漣漪，增加海馬錐體神經(jīng)元放電活動，破壞神經(jīng)元同步活動引起神經(jīng)振蕩活動，阻礙神經(jīng)元放電模式的重激活和回放，導(dǎo)致無法回憶起學(xué)習(xí)過的內(nèi)容

 

 

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