睡眠中如何增強記憶？

來自專欄記憶力訓練

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。

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。

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：受theta電刺激影響，slow oscillation和慢spindle能量均發生不同程度降低，而停止刺激之後的1小時內，慢波和慢spindle能量先代償性升高，再逐漸恢復到正常水平。

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

《未來簡史》 尤瓦爾 赫拉利

文/ 博超同學