Nature子刊阐明睡眠在记忆加工中的双重作用

睡眠对巩固记忆至关重要，但它是否也能让大脑为未来的学习做好准备呢？来自日本的研究人员利用先进的成像技术追踪老鼠的神经元活动，研究了这种双重作用。他们发现了一种独特的脑细胞群，在学习后的睡眠中变得活跃，随后编码新的体验。他们的发现得到了神经网络模型的支持，表明睡眠不仅保留了过去的记忆，还为大脑形成未来的记忆做好了准备。

　　

记忆的形成、存储和检索是定义我们是谁以及我们如何与世界互动的基本过程。在细胞水平上，这些过程依赖于被称为印迹细胞的特殊神经元，这些神经元群对我们的经历进行物理编码，并允许我们以后回忆起它们。在过去的几十年里，科学家们在识别这些神经元群和理解记忆分配的某些方面取得了重大进展。

尽管人们普遍认为睡眠对记忆的处理和巩固至关重要，但其许多潜在的机制和功能尚不清楚。传统的观点主要集中在睡眠是一个回顾过去的过程，有助于加强过去的经验，但它能同时帮助大脑为新的学习做好准备吗？

最近，日本富山大学（University of Toyama）著名教授Kaoru Inokuchi领导的一个研究小组试图解决这个问题，发现了睡眠在记忆处理中的双重作用。他们的论文将于2025年4月28日发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上，探讨了大脑在睡眠期间是如何在保存过去记忆的同时为未来做准备的。这项研究的共同作者是同样来自富山大学的特别任命助理教授Khaled Ghandour；国立信息通信技术研究所的长贺达也博士；Dokkyo医科大学大川纪明博士；以及OIST的Tomoki Fukai教授。

研究人员采用了一种先进的成像系统，将活钙成像与印迹细胞标记相结合，使他们能够在学习经历之前，期间和之后跟踪小鼠的神经元活动。这种方法使他们对特定神经元群体在不同认知状态下的行为有了前所未有的了解，包括在学习事件之前和之后的睡眠期间。

他们的研究结果表明，在学习后的睡眠中会发生两个平行的过程。首先，编码初始学习经验的印迹细胞显示了再激活模式——证实了既定的巩固过程。值得注意的是，他们还发现了一种单独的神经元群，他们称之为“记忆细胞”，在学习后的睡眠中变得越来越同步。这些细胞后来被证明编码了一种新的、不同的学习体验。Inokuchi教授解释说：“在睡眠中，记忆印迹细胞与现有记忆印迹细胞的协同作用增强，这表明这种相互作用有助于形成新的记忆网络。”

为了理解这种现象背后的机制，研究小组开发了一个模拟海马体活动的神经网络模型。该模型表明，突触抑制和缩放是睡眠中调节神经元之间连接强度的机制，对印痕细胞的出现至关重要。当这些过程在模型中被禁用时，为未来学习准备的神经元明显受损。

该研究还揭示了现有印迹细胞和未来印迹细胞之间有趣的动态关系，显示出在学习后睡眠中共同激活的增加。这暗示了代表过去和未来记忆的神经网络之间存在某种形式的信息传递或协调。

这些发现对我们理解学习和记忆具有重要意义。他们认为，学习期间的睡眠质量不仅决定了我们对所学知识的记忆程度，还决定了我们学习新知识的效率。这可能会影响教育、认知增强和记忆障碍治疗的方法。

此外，该研究为探索睡眠障碍如何影响记忆巩固以及大脑对未来学习挑战的准备开辟了新的途径。“我们相信，在睡眠或睡眠模式中操纵大脑活动可能会发现通过释放大脑潜在潜力来增强记忆的方法，”Inokuchi教授说。

总的来说，这项研究强调了睡眠在维持认知功能和整体健康方面的关键作用。“我们希望人们明白，睡眠不仅仅是休息——它在大脑处理信息的过程中起着至关重要的作用，”Inokuchi教授总结道，“考虑到这一点，我们希望每个人都能开始更加重视睡眠，并将其作为提高整体生活质量的一种方式。”

Parallel processing of past and future memories through reactivation and synaptic plasticity mechanisms during sleep