睡眠中如何增強記憶？ tDCS電刺激篇

文/ @博超同學 審稿/ @ChenLee @yue li @熙禕

當研發出假肢，讓截肢的患者能夠重新走路的時候，同樣的科技就能用來為健康人進化升級，如果能夠發現防止記憶力衰退的方法，同樣的方法也能用來為年輕人增強記憶力，治癒與進化之間並沒有明確的界限，醫學一開始幾乎總是要拯救那些低於正常下限的人，但同樣的工具和知識也能用來超越正常的上限。

《未來簡史》 尤瓦爾 赫拉利

數十年來，醫學與神經科學在精神類疾病治療上取得了很多突破性進展，比如說：用有創的DBS/深部腦刺激技術取代病灶切除手術來治療癲癇，用無創的TMS/經顱磁刺激技術和tDCS/經顱直流電刺激技術，通過刺激大腦皮層來緩解抑鬱症和精神分裂症患者的病情，反過來，臨床上用於治病的技術，也可能被科學家搬進實驗室，用於研究如何增強正常大腦的功能。

近年來，類似的研究屢見報端，例如：2014年美國Newsweek曾報道：Northwest大學研究人員用TMS增強正常人的記憶功能。2006年印度DNA（Daily News & Analysis）曾報道：德國Lubeck大學研究人員通過電刺激使正常人增強記憶。同年新華社也對做了相關報道：科普：睡眠時刺激大腦可能提高記憶力。

我的上一篇文章提到，1924年兩位美國科學家發現睡眠能有效地減緩遺忘。經過多年的研究，科學家逐步將睡眠的抗遺忘功能與睡眠早期的慢波睡眠聯繫在一起，研究發現清醒時存儲在海馬內的短期記憶，在慢波睡眠中會逐步向長期記憶存儲中心-新皮層轉移，而睡眠當中新皮層-丘腦-海馬的「交流對話」，即slow oscillation-spindle-sharp wave ripple同步振蕩為此提供了實驗依據。

本文便以 2006年德國Lubeck大學的科學家在國際頂級期刊nature發布了一篇了文章：睡眠中調節慢波振蕩增強記憶 為例，闡述睡眠中增強記憶鞏固的方法。

Question：

先前的研究中作者發現，在大腦皮層施加微弱的delta直流電流刺激，能增強皮層的腦電振蕩，而在慢波睡眠中，新皮層的慢波振蕩以「從上到下」的方式驅動丘腦和海馬同步活動，促進短期記憶向長期記憶不斷轉化。能否通過低頻電刺激的方式，改變新皮層的慢波振蕩，進而增強陳述性記憶鞏固呢？

Part 1 實驗設計

慢波睡眠中新皮層的慢波振蕩頻率為0.5-4Hz（delta波），主頻率為0.7-0.8Hz，在學習後的慢波睡眠中，通過微弱電流刺激前額葉新皮層，改變新皮層的慢波振蕩，探究慢波振蕩改變與記憶鞏固之間的聯繫。

Part 2 實驗流程

醫學生因為在學習中需要記憶很多知識的緣故，通常都有著出色的記憶能力，因此研究人員招募了一批醫學生作為被試。實驗分為刺激組和非刺激組，在研究人員的引導下，被試帶上電極帽，睡前完成單詞記憶任務（能用語言表達的）和程序性記憶任務（說不出但會做的），進入睡眠後第一個睡眠周期的慢波睡眠階段，刺激組接受微弱的0.75Hz電流刺激（人體完全感受不到），而非刺激組則只帶電極帽不施加電流刺激。早上被喚醒後，被試接受記憶提取測試，評價記憶結果。

Part 3 實驗結果

陳述性記憶任務中，刺激組與非刺激組在睡眠覺醒後記憶單詞數均增多，但刺激組表現更好（4.77>2.08），而程序性記憶任務中，兩組被試沒有表現出顯著性差別。

與非電刺激組相比，電刺激組在電刺激之後的1小時內，睡眠結構發生改變，慢波睡眠和REM睡眠均顯著增多，而淺睡眠減少。

功率譜分析顯示：0.5-1Hz的慢波、8-12Hz的慢spindle能量均有不同程度提高，12-15Hz的快spindle能量則沒有提升。

Part 4 實驗結論

1. 新皮層delta電刺激有效提升了海馬依賴性的陳述性記憶，而與REM睡眠有關的程序性記憶，因其鞏固不在慢波睡眠階段進行，因此鞏固沒有得到增強。
2. 新皮層delta電刺激有效增強了新皮層的慢波振蕩，改變睡眠結構使慢波睡眠增多，加強了「新皮層-丘腦-海馬」之間的交流對話，為慢波睡眠促進記憶鞏固提供了實驗依據。
3. 慢波睡眠中新皮層的慢波振蕩增強，會引發源自丘腦的spindle振蕩也隨之增強，致使海馬內存儲的短期記憶向皮層存儲的長期記憶轉化增強，這為slow oscillation-spindle同步振蕩增強記憶鞏固提供了實驗依據。

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而清醒和REM睡眠時新皮層振蕩頻率為4-8Hz（theta波），主頻率為5Hz，能否通過theta電刺激改變慢波睡眠中新皮層的慢波振蕩和REM睡眠中新皮層的theta振蕩，進而增強記憶鞏固呢？

2011年該研究團隊又發表了另一篇文章，睡眠中theta電刺激抑制了記憶鞏固。

在被試學習後的睡眠中，早期慢波睡眠和睡眠後期REM睡眠階段，用5Hz的微弱電流刺激前額葉皮層，研究theta刺激對慢波睡眠和REM睡眠的影響。

陳述性記憶任務中，刺激組與非刺激組在睡眠覺醒後記憶單詞數均增多，但刺激組表現更差（2.80<5.16），而程序性記憶任務中，兩組被試沒有表現出顯著性差別。

在慢波睡眠中，theta電刺激導致刺激當時睡眠結構發生顯著改變，慢波睡眠顯著減少，而淺睡眠顯著增多。電刺激之後的1小時內，慢波睡眠和淺睡眠結構逐步恢復到正常。

功率譜分析顯示：REM睡眠中theta電刺激誘發gamma頻段的能量提升，這與學習過程中新皮層theta-gamma耦合現象一致。

實驗結論

慢波睡眠中theta電刺激顯著抑制了新皮層的慢波振蕩，使海馬依賴性的陳述性記憶鞏固變差，REM睡眠中theta電刺激對程序性記憶沒有顯著影響。

文章小結

在慢波睡眠中用tDCS在新皮層施加低頻電刺激，能增強新皮層slow oscillation，增強陳述性記憶鞏固，而theta電刺激，會削弱新皮層slow oscillation，抑制陳述性記憶鞏固。

近年來國內外許多研究團隊都在積極研發研tDCS設備，由波音和通用公司共同持股的 HRL Laboratories和美國加州Thync公司都曾研發出商用可穿戴tDCS設備，但略顯遺憾的是，因其使用安全可靠性未能得到廣泛驗證，目前國內外tDCS設備均未能通過醫療認證，而個人DIY tDCS設備和商用tDCS設備也常因使用不當，造成使用者皮膚燒傷、暫時性視力喪失等安全問題，因此需要謹慎對待。

寫在最後

人類腦計劃的終極使命「認識腦-保護腦-創造腦」，經過一代代科學家的努力，正在一步步變成現實，神經科學技術的不斷革新和發展，使我們能進一步窺探大腦深邃的奧秘。

參考文獻

【1】Lisa Marshall, Halla Helgadottir, Matthias Molle & Jan Born, Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory, Nature, 2006 , 444 (7119) :610

【2】Lisa Marshall, Roumen Kirov, Julian Brade, Matthias Molle, Jan Born,

Transcranial Electrical Currents to Probe EEG Brain Rhythms and Memory

Consolidation during Sleep in Humans. Plos ONE, February 2011, Volume

6, Issue 2, e16905

【3】Matthew Walke, Why We Sleep, 2017

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